СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАБОТЫ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ИСКУССТВЕННЫМ ВОЗДУХОМ
METHOD AND DEVICE FOR FUEL CELL OPERATION WITH ARTIFICIAL AIR

Предметом настоящего изобретения является способ работы системы топливных элементов с рабочими газами, которые содержат инертные газовые компоненты, система топливных элементов, которая способна работать с рабочими газами, содержащими инертные газовые компоненты, и система-потребитель, которая имеет такую систему топливных элементов. В таких способе, системе топливных элементов и системе-потребителе во время работы топливных элементов отработавшие газы топливных элементов не выбрасываются в окружающую среду и не накапливаются. В альтернативной форме выполнения во время работы топливных элементов по меньшей мере анодный отработавший газ не выбрасывается в окружающую среду и не накапливается.
В топливных элементах электрическая энергия вырабатывается из химической энергии по реакции, обратной электролизу воды. Отдельный элемент непрерывно вырабатывает ток за счет того, что окисляемое вещество (водород) и окислитель (кислород) непрерывно подаются, а продукты окисления непрерывно отводятся. Различные типы топливных элементов, а также их строение и способ работы известны сами по себе.
Топливные элементы пригодны для генерирования тока для любого потребителя. Они вырабатывают требуемую мощность экологически безопасным образом, надежно и с хорошим коэффициентом полезного действия.
Один из реакционных газов, кислород, обычно подается в виде воздуха, который в простейшем случае отбирается из окружающей среды. После проведения реакции возможно остающийся остаточный кислород или обедненный кислородом воздух, включая продукт реакции - воду, выбрасывается в окружающую среду. Другой реакционный газ, водород, должен отбираться из резервуара для его хранения, такого как баллон со сжатым газом. После проведения реакции неизрасходованный водород не может быть просто выброшен в окружающую среду. Поэтому к топливному элементу либо должно подаваться лишь столько водорода, сколько его расходуется на аноде, то есть топливный элемент работает в режиме с тупиковым концом на анодной стороне, или анодный отработавший газ рециркулируют, и/или неизрасходованный водород в анодном отработавшем газе используется по-иному, например, для работы горелки.
Некоторые области применения топливных элементов требуют, чтобы при работе топливных элементов не было прямого контакта с окружающей средой, например, при использовании в замкнутой системе, такой как подводное транспортное средство. В случае такого использования, для реакционного газа кислорода справедливо то же самое, что и в противном случае для водорода: кислород должен подаваться из резервуара для его хранения, такого как, например, баллон со сжатым газом, а после проведения реакции любой неизрасходованный кислород не может выбрасываться в окружающую среду. Вода - получающийся при реакции продукт также должна оставаться в закрытой системе.
Проблемы возникают, когда топливные элементы в замкнутой системе должны эксплуатироваться не с чистым водородом и чистым кислородом, а если по меньшей мере один из подводимых расходуемых газов также содержит инертные компоненты, то есть компоненты, которые не реагируют внутри топливных элементов. Обычно это относится к катодной стороне. При применении кислорода в чистом виде или в высокой концентрации катодный катализатор быстро окислялся бы, что привело бы к деградации и, в конечном счете, к разрушению катализатора и, следовательно, к прекращению реакции в топливном элементе. Рекомендуется использовать кислород в концентрации не более 50 объемных процентов.
По этой причине в топливных элементах в качестве рабочего газа в основном используется кислород в виде воздуха. Природный воздух содержит чуть менее 21 объемного процента кислорода, около 78 объемных процентов азота, а остальное главным образом составляет аргон, а кроме того двуокись углерода и различные другие благородные газы в малых количествах.
Недостатком применения воздуха или, в общем, газов, содержащих инертные компоненты, является то, что эти инертные компоненты покидают топливные элементы неизменными, так что в замкнутой системе в процессе эксплуатации топливных элементов накапливаются большие количества отработавших газов, которые необходимо где-нибудь улавливать, при необходимости в сжатой или сжиженной форме. Однако обеспечение приемных резервуаров для отработавших газов достаточного размера является непрактичным, а на сжатие или даже сжижение отработавших газов растрачивалась бы заметная часть выработанной топливными элементами энергии.
Если бы топливный элемент работал в замкнутой системе, например, с природным воздухом из баллона сжатого газа, то по меньшей мере 79 объемных процентов подводимого газа (по меньшей мере инертные компоненты) не вступали бы в реакцию. Отработавший газ также нельзя было бы рециркулировать, даже если бы он все еще содержал значительную часть непрореагировавшего кислорода, так как в этом случае, с увеличением длительности эксплуатации, все больше инертных газов подавалось бы в топливные элементы. Производительность топливных элементов снизилась бы, и с увеличением накопления инертных газов в газовом контуре реакция топливных элементов в конечном итоге остановилась бы.
До сих пор было невозможно эксплуатировать топливные элементы с содержащими инертные компоненты рабочими газами, такими как, например, воздух, в замкнутых системах, поскольку для размещения инертных отработавших газов топливных элементов в условиях температуры и давления системы потребовалось бы слишком много пространства для хранения и/или для сжатия или сжижения инертных отработавших газов потребовалось бы слишком много энергии (без полного устранения при этом проблемы с пространством для хранения).
Поэтому задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности эксплуатации топливных элементов с рабочими газами, содержащими инертные компоненты, такими как, например, воздух, в замкнутых системах-потребителях, в частности, в пространственно ограниченных, замкнутых системах-потребителях, таких как, например, подводные транспортные средства.
Задачей настоящего изобретения является, в частности, создание способа и устройства для работы топливных элементов в замкнутой системе-потребителе, особенно в пространственно ограниченной замкнутой системе-потребителе, такой как подводное транспортное средство, причем в топливные элементы подводится рабочий газ, содержащий инертные компоненты, такой как воздух.
Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание работающей на топливных элементах системы-потребителя, такой как транспортное средство, которая использует рабочий газ, содержащий инертные газовые компоненты, такой как воздух, для эксплуатации топливных элементов, без выброса отработавшего в топливных элементах газа в окружающую среду во время работы топливных элементов и без использования устройства для хранения отработавшего в топливных элементах газа.
Задачей настоящего изобретения является, кроме того, создание способа, устройства и системы-потребителя, в которых окружающий воздух используется в качестве катодного рабочего газа и после реакции в топливных элементах выпускается в окружающую среду в качестве катодного отработавшего газа, в то время как анодный отработавший газ не выбрасывается в окружающую среду в течение длительности работы топливных элементов, но и не хранится.
Указанные задачи решаются с помощью системы топливных элементов, системы-потребителя и способа работы системы топливных элементов, соответственно с признаками, приведенными в независимых пунктах формулы изобретения. Варианты выполнения изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Система топливных элементов по изобретению и система-потребитель по изобретению представляют собой «замкнутые компактные системы». Они являются замкнутыми системами, поскольку они во время их эксплуатации не берут никакого материала из окружающей среды или не выводят материал в окружающую среду, и они являются компактными системами, поскольку они не производят отходящих газов (в смысле «газа, который должен выводиться») и поэтому не имеют накопительных резервуаров для хранения отработавших газов, будь то в газообразном или сжиженном виде. Таким образом, в пространственно ограниченных системах-потребителях может быть достигнута значительная экономия площади. Это достигается согласно изобретению тем, что рабочие газы топливных элементов, которые кроме реакционных газов водорода или кислорода также содержат инертные газовые компоненты, уже во время эксплуатации системы топливных элементов смешивают из соответствующих компонентов, а отработавшие газы топливных элементов, которые содержат инертные и, возможно, также неизрасходованные реакционные газы, рециркулируют. Путем непрерывного добавления потребленных реакционных газов вновь непрерывно возникают рабочие газы, которые могут подаваться в топливные элементы. Таким образом, система топливных элементов по изобретению обходится очень небольшим количеством инертного газа, так как введенное в начале работы топливных элементов количество инертного газа непрерывно проводится по контуру (циркулирует). Не возникает никакого безвозвратного отработавшего газа, который должен был бы храниться или выпускаться. Единственным продуктом реакции является вода, которая может храниться в жидкой форме, не требуя специальной обработки для ее сжижения, и поэтому требует лишь небольшого пространства.
В варианте системы топливных элементов по изобретению осуществляется рециркуляция только анодного отработавшего газа, в то время как катодный отработавший газ выпускается в окружающую среду.
Термины, используемые для описания настоящего изобретения, поясняются ниже:
Анодным или катодным рабочим газом является газ, подаваемый на анод или катод топливного элемента. Рабочий газ содержит реакционный газ и инертные газовые компоненты (инертный газ) и, возможно, газообразную воду.
Анодный или катодный реакционный газ является компонентом рабочего газа, участвующим в реакции топливных элементов. В настоящем изобретении анодный реакционный газ представляет собой водород, а катодный реакционный газ - кислород.
Инертный газовый компонент (инертный газ), наряду с возможно присутствующей газообразной водой, является компонентом анодного или катодного рабочего газа, который не участвует в реакции топливных элементов, то есть не реагирует внутри топливного элемента, и покидает топливный элемент в отработавшем газе топливных элементов.
Анодный или катодный отработавший газ является материалом, который выходит из топливных элементов после произошедшей реакции рабочих газов. Отработавший газ топливных элементов также может содержать жидкие компоненты, например, воду, являющуюся продуктом реакции.
Топливоэлементный блок содержит один или более топливных элементов, которые могут образовывать один или более блоков топливных элементов.
Система топливных элементов представляет собой топливоэлементный блок, включая компоненты, необходимые для работы топливных элементов, такие как, например, газовые резервуары, трубы, насосы, клапаны и т.д.
Система-потребитель представляет собой стационарное или мобильное устройство, такое как, например, транспортное средство, имеющее систему топливных элементов и приводимое в действие электрической энергией, которая по меньшей мере частично вырабатывается системой топливных элементов.
Замкнутая система (система топливных элементов или система-потребитель) представляет собой мобильную или стационарную систему, в которой во время выполнения системой своей задачи нет возможности принимать материалы, такие как рабочие газы, из окружающей среды или выводить материалы, такие как отработавшие газы, в окружающую среду.
Компактная система (компактная система топливных элементов или компактная система-потребитель) представляет собой мобильную или стационарную систему без возможности хранения отработавших газов топливных элементов в газообразной или жидкой форме, кроме воды, хранящейся в жидкой форме.
В замкнутой компактной системе, во время работы топливных элементов, не существует ни возможности потребления материала из окружающей среды (например, атмосферы) или вывода его в окружающую среду, ни возможности хранения отработавших газов топливных элементов (кроме воды в жидкой форме). Условия размещения в определенных системах-потребителях могут требовать, чтобы отдельные компоненты системы топливных элементов, например, резервуары газа, не могли устанавливаться в непосредственной близости от топливоэлементного блока. Такая система считается замкнутой компактной системой топливных элементов или замкнутой компактной системой-потребителем, если соответствующие компоненты размещены в системе-потребителе или на ней.
Замкнутая на анодной стороне компактная система представляет собой систему топливных элементов или систему-потребитель, в которой нет возможности потребления анодного рабочего газа из окружающей среды во время работы топливных элементов или вывода или хранения (кроме воды в жидкой форме) анодного отработавшего газа в окружающую среду. Такая ʺполузамкнутаяʺ компактная система сочетает в себе преимущество удобства с преимуществом возможности эксплуатации в замкнутых пространствах.
Основным узлом системы топливных элементов по изобретению является топливоэлементный блок, который имеет по меньшей мере один топливный элемент. Обычно топливоэлементный блок содержит множество топливных элементов, которые расположены в виде одного или более блоков топливных элементов. В настоящем изобретении предпочтительно используются топливные элементы с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ). Топливные элементы сконструированы известным образом. Через каждый топливный элемент протекает с анодной стороны анодный рабочий газ, а с катодной стороны - катодный рабочий газ. Соответствующие области упоминаются в настоящем изобретении как катодная проточная область и анодная проточная область.
Замкнутая система топливных элементов имеет два замкнутых газовых контура, оба из которых включают в себя топливоэлементный блок. Контур катодного газа содержит тракт катодного рабочего газа, катодную проточную область и тракт катодного отработавшего газа, а контур анодного газа содержит тракт анодного рабочего газа, анодную проточную область и тракт анодного отработавшего газа. В тракте катодного рабочего газа свежий катодный рабочий газ течет к топливоэлементному блоку, протекает через катодную проточную область топливоэлементного блока (т.е. катодные проточные области всех топливных элементов этого блока), и, наконец, катодный отработавший газ покидает топливоэлементный блок в тракте катодного отработавшего газа. Аналогичным образом, в траке анодного рабочего газа свежий анодный рабочий газ течет к топливоэлементному блоку, протекает через анодную проточную область топливоэлементного блока (т.е. анодные проточные области всех топливных элементов этого блока), и, наконец, анодный отработавший газ покидает топливоэлементный блок в тракте анодного отработавшего газа.
В случае полузамкнутой системы замкнут только контур анодного газа. На катодной стороне система имеет разомкнутый тракт катодного газа, который включает в себя тракт катодного рабочего газа, катодную проточную область и тракт катодного отработавшего газа. В тракте катодного рабочего газа протекает воздух, который предпочтительно отбирается из окружающей среды и подается с помощью устройства для подачи воздуха, такого как воздуходувка, нагнетатель или вентилятор.
Как правило, катодный рабочий газ имеет определенную концентрацию кислорода, т.е. заданное целевое значение концентрации кислорода, которое составляет менее 100 объемных процентов, предпочтительно от 20 до 50 объемных процентов, особенно предпочтительно 30-40 объемных процентов, катодного рабочего газа. Анодный рабочий газ имеет определенную концентрацию водорода, т.е. заданное целевое значение концентрации водорода, которое предпочтительно составляет от 50 до 100 объемных процентов, особенно предпочтительно 100 объемных процентов, анодного рабочего газа. В настоящем изобретении из-за выравнивания парциального давления концентрация катодного рабочего газа должна быть приблизительно равна концентрации анодного рабочего газа. Хороший компромисс состоит в том, чтобы в замкнутой системе по настоящему изобретению как концентрация водорода, так и концентрация кислорода устанавливалась на примерно 40-50 объемных процентов, более предпочтительно 50 объемных процентов. В случае полузамкнутой системы целевое значение концентрации кислорода в катодном рабочем газе определяется содержанием кислорода в воздухе, то есть примерно 21 объемный процент. Поэтому концентрация водорода также должна устанавливаться примерно на 21 объемный процент.
Катодный отработавший газ обеднен кислородом или больше вообще не содержит кислорода, а анодный отработавший газ обеднен водородом или больше вообще не содержит водорода. Однако анодный отработавший газ и катодный отработавший газ содержат газообразную и жидкую воду, например, из реакции топливных элементов. Анодный отработавший газ и катодный отработавший газ являются ʺистощеннымиʺ газами, которые больше не пригодны для реакции топливных элементов. Поэтому они должны выпускаться из системы, что в некоторых случаях, однако, невозможно. В соответствии с изобретением, при замкнутой системе, отработавшие газы вводят в соответствующие рабочие газы (рециркулируют), т.е. тракт катодного отработавшего газа и тракт катодного рабочего газа, а также тракт анодного отработавшего газа и тракт анодного рабочего газа ʺвстречаютсяʺ соответственно в месте перехода, так что образуются замкнутый контур катодного газа и замкнутый контур анодного газа. Без описанных ниже мер по изобретению эта рециркуляция привела бы к тому, что как в контуре катодного газа, так и в контуре анодного газа за короткое время сильно накапливались бы инертные газовые компоненты и вода, и реакция топливных элементов прекращалась бы. При полузамкнутой системе рециркулируют только анодный отработавший газ, в то время как катодный отработавший газ выпускают в окружающую среду из открытого тракта катодного отработавшего газа.
Поэтому в соответствии с изобретением, при замкнутой системе, в тракте катодного рабочего газа регулярно или непрерывно определяют концентрацию кислорода, а в тракте анодного рабочего газа регулярно или непрерывно определяют концентрацию водорода. Разницу с заданным целевым значением концентрации кислорода или концентрации водорода дополняют подачей кислорода из резервуара для хранения кислорода до достижения заданного целевого значения по кислороду в тракте катодного рабочего газа и подачей водорода из резервуара для хранения водорода до достижения заданного целевого значения по водороду в тракте анодного рабочего газа. Место подачи кислорода в контур катодного газа определяет место перехода, в котором тракт катодного отработавшего газа переходит в тракт катодного рабочего газа. Место подачи водорода в контур анодного газа определяет место перехода, в котором тракт анодного отработавшего газа переходит в тракт анодного рабочего газа. При полузамкнутой системе можно либо исходить из того, что концентрация кислорода составляет примерно 21 объемный процент и добавлять столько водорода, что в тракте анодного рабочего газа поддерживается концентрации водорода в 21 объемный процент, либо точно определять концентрацию кислорода и в соответствии с этим добавлять водород, что является предпочтительным.
Количество кислорода и водорода, которое, соответственно, следует добавлять (в полузамкнутой системе необходимо добавлять только водород; последующая дозировка кислорода не требуется, так как в систему постоянно поступает свежий воздух), может, например, определяться путем применения закона идеального газа, который для газовых смесей, в основном состоящих из водорода и инертного газа или кислорода и инертного газа, дает хорошие результаты. Объем контура катодного газа и контура анодного газа известен, а имеющиеся в газовых контурах давления и температуры можно измерять. Кроме того, известно количество инертного газа, присутствующего в контуре катодного газа и контуре анодного газа, т.е. парциальное давление инертного газа, создаваемое инертным газом в контуре катодного газа и контуре анодного газа. Заданному целевому значению концентрации кислорода соответствует целевое давление в тракте катодного рабочего газа, а заданному целевому значению концентрации водорода соответствует целевое давление в тракте анодного рабочего газа. Из разности между целевым давлением и измеренным давлением в тракте катодного рабочего газа получается дополнительно дозируемое количество кислорода, а из разности между целевым давлением и измеренным давлением в тракте анодного рабочего газа получается дополнительно дозируемое количество водорода. В настоящем изобретении предусмотрены подходящие средства (устройства) для сравнения измеренных давлений с заданными целевыми давлениями и для подачи требуемых количеств газа. Подходящими устройствами такого рода являются, например, редукторы давления в тракте кислорода к контуру катодного газа или в тракте водорода к контуру анодного газа. Образовавшаяся во время реакции вода-продукт или доля газообразной воды-продукта реакции в газовых смесях может быть рассчитана в начале и учтена при настройке требуемого давления инертного газа.
Целевые давления в контуре анодного газа и в контуре катодного газа или в тракте катодного газа идентичны и предпочтительно находятся в диапазоне от 300 до 1000 гПа (избыточное, или манометрическое, давление). Температуры также одинаковы и предпочтительно находятся в диапазоне от 54°С до 65°С.
При полузамкнутой системе соблюдение желательного целевого давления в тракте катодного газа гарантируется обеспечением устройства в тракте катодного отработавшего газа, которое при достижении целевого давления открывает этот тракт наружу и одновременно предотвращает любой поток извне в тракт катодного отработавшего газа. Подходящими устройствами являются, например, обратный клапан, такой как подпружиненный обратный клапан или дроссельный клапан. Подача рабочего газа воздуха осуществляется при полузамкнутой системе предпочтительно с помощью устройства, которое одновременно придает скорость потоку в тракте катодного газа, такого как, например, воздуходувка. Дополнительная дозировка кислорода не требуется. Водород затем восполняется, как описано выше для замкнутой системы.
В качестве альтернативы поддержанию постоянных давлений в контуре катодного газа и контуре анодного газа, также могут поддерживаться постоянными массовые расходы. Для этой цели в контуре катодного газа или в контуре анодного газа предусмотрены массовые расходомеры. Тогда с помощью редуктора давления дополнительно дозируется соответственно столько кислорода (только в замкнутой системе) или водорода, чтобы массовые расходы оставались постоянными в контуре катодного газа и контуре анодного газа. Если вместо массовых расходомеров используются регуляторы массового расхода, то никаких редукторов давления не требуется. Тогда требуемые количества соответствующих газов могут подаваться с помощью регуляторов массового расхода.
Непрерывное накопление воды в контуре катодного газа и контуре анодного газа замкнутой системы предотвращается за счет того, что катодный отработавший газ и анодный отработавший газ направляют соответственно через устройства для отделения жидкой воды. Подходящими устройствами такого рода являются, например, водоотделители. Жидкая вода накапливается в водоотделителях, в то время как инертный газ, газообразная вода и любой присутствующий в отработавшем газе неизрасходованный кислород или неизрасходованный водород рециркулируют в тракт катодного рабочего газа или тракт анодного рабочего газа. В полузамкнутой системе водоотделители являются необязательными в тракте катодного газа.
Для надежного и равномерного функционирования топливных элементов также очень важно, чтобы катодный рабочий газ и анодный рабочий газ по возможности однородно распределялись во всех топливных элементах топливоэлементного блока и во всех зонах катодных проточных областей или анодных проточных областей и, в частности, чтобы катодные проточные области и анодные проточные области поддерживались свободными от жидкой воды. Согласно изобретению это достигается за счет создания подходящей скорости потока газов в контуре катодного газа и контуре анодного газа. Подходящая скорость потока в контуре катодного газа и в контуре анодного газа составляет, например, соответственно, приблизительно от 2 до 4 м/с, предпочтительно, соответственно, приблизительно 3 м/с. Для поддержания скоростей потока, например, может быть предусмотрен рециркуляционный насос в тракте катодного отработавшего газа и рециркуляционный насос в тракте анодного отработавшего газа. Перекачка газов также обеспечивает однородное перемешивание газовых компонентов. Без искусственного создания потока в контуре катодного газа и в контуре анодного газа, например, с помощью циркуляционного насоса, хотя израсходованный кислород заменялся бы дополнительно дозированным кислородом, а израсходованный водород заменялся бы дополнительно дозированным водородом, но распределение дополнительно дозированных реакционных газов протекало бы медленно и крайне неоднородно, и образовавшаяся в реакции вода не удалялась бы из топливных элементов. Топливные элементы работали бы практически в тупиковом режиме. Топливные элементы в конечном итоге были бы ʺзалитыʺ, и реакция топливных элементов остановилась бы. В полузамкнутой системе такие устройства, как насос, являются необязательными в тракте катодного газа, поскольку в качестве источника воздуха обычно используются устройства, которые уже обеспечивают течение, например, воздуходувка.
Рециркуляционный насос работает с самого начала. Во время эксплуатации мощность накачки предпочтительно увеличивают с регулярными интервалами, в зависимости от выработки энергии, например, с интервалами примерно 3 ампер-часа. Таким образом предотвращается скопление газа или накопление воды в ʺмертвых зонахʺ. Вместо рециркуляционного насоса может использоваться и струйное сопло, например сопло Вентури.
Если система топливных элементов должна обеспечивать энергию в течение более продолжительных периодов времени, например, в течение нескольких дней или нескольких недель, также образуются большие количества реакционной воды. В этом случае, устройства для отделения воды в трактах отработавших газов рационально выполнять таким образом, чтобы отделенная жидкая вода могла сливаться и собираться в отдельном большем сборном резервуаре. Для этой цели, например, водоотделители в трактах отработавших газов снабжены переключателями уровня заполнения и клапанами слива воды. Когда вода в водоотделителях достигает определенного уровня заполнения, клапан слива воды открывается на заданное время, например, примерно 2 с, и вытекающая вода направляется в больший сборный резервуар, преимущественно при поддержке водяным насосом. Для обеспечения того, чтобы никакой газ не мог выходить из трактов отработавших газов через водоотделители, на выходе водоотделителей также могут быть предусмотрены переключатели уровня заполнения, которые своевременно закрывают клапаны слива воды. Клапаны слива воды и соответствующие переключатели уровня заполнения могут быть предусмотрены на анодной стороне и/или на катодной стороне. В случае полузамкнутых систем водоотделители на катодной стороне являются необязательными.
Как указано выше, топливоэлементный блок работает с катодным рабочим газом и анодным рабочим газом, причем концентрация кислорода в катодном рабочем газе имеет заданное целевое значение, и концентрация водорода в анодном рабочем газе также имеет заданное целевое значение. Однако, прежде чем система топливных элементов сможет обеспечить работу с заданными концентрациями кислорода и водорода, эти концентрации необходимо сначала установить. Для этой цели, при каждом пуске в эксплуатацию замкнутой системы топливных элементов и перед пуском в эксплуатацию топливоэлементного блока, контур катодного газа и контур анодного газа заполняются необходимым для работы системы топливных элементов количеством инертного газа. В свою очередь, необходимое количество инертного газа может быть рассчитано с помощью закона идеального газа, поскольку известны как объемы контура катодного газа и контура анодного газа, так и желательные целевые значения концентрации кислорода и концентрации водорода, а также желательные условия работы системы топливных элементов и температура заполнения. Также известно количество газообразной воды, которая образуется при реакции топливных элементов и которая направляется в контур катодного газа и контур анодного газа. Это количество может быть вычислено первоначально электроникой системы и учтено при настройке требуемого давления инертного газа.
При заданных условиях работы (давлении, температуре) системы топливных элементов газ в контуре катодного газа замкнутой системы имеет заданное давление (целевое давление) и заданную температуру. При этом желательная, т.е. заданная концентрация кислорода (целевая концентрация кислорода) в катодном рабочем газе соответствует определенному парциальному давлению кислорода (целевому парциальному давлению кислорода) и определенному парциальному давлению инертного газа (целевому парциальному давлению инертного газа) в катодном рабочем газе. Аналогично, газ в контуре анодного газа имеет желательную, т.е. заданную концентрацию водорода (целевую концентрацию водорода), которая соответствует определенному парциальному давлению водорода (целевому парциальному давлению водорода) и определенному целевому парциальному давлению инертного газа в анодном рабочем газе.
Перед пуском в эксплуатацию системы топливных элементов или перед началом отбора тока из топливоэлементного блока замкнутой системы получают смеси рабочих газов в контуре катодного газа и контуре анодного газа из их соответствующих компонентов, которые соответственно находятся в соответствующих резервуарах для хранения, например, баллонах сжатого газа. Имеются отдельные резервуары для хранения инертного газа, водорода и кислорода.
В качестве инертного газа предпочтительно используется азот. Изобретение описано ниже со ссылкой на азот в качестве инертного газа, то есть катодным рабочим газом является ʺискусственный воздухʺ. Однако настоящее изобретение никоим образом не ограничивается азотом в качестве инертного газа. Наоборот, в случае замкнутой системы также могут использоваться другие инертные газы, такие как благородные газы. Предпочтительным благородным газом является гелий, с которым могут быть достигнуты особенно высокие характеристики топливных элементов, поскольку его присутствие препятствует реакции топливных элементов меньше, чем, например, присутствие азота. В контуре катодного газа и в контуре анодного газа применяется один и тот же инертный газ. При работе с природным воздухом, разумеется, инертным газом всегда является азот.
Перед пуском в эксплуатацию контуры газа находятся под атмосферным давлением и заполнены инертным газом. При необходимости, перед пуском в эксплуатацию производится продувка инертным газом, который применяется при эксплуатации, например, азотом. Затем контур катодного газа заполняется инертным газом (здесь - азотом) до тех пор, пока не будет достигнуто давление азота, соответствующее целевому парциальному давлению инертного газа. В этом случае необходимо учитывать, что при заполнении обычно преобладает другая температура, чем рабочая температура, обычно более низкая. Давление азота, которое устанавливается в контуре катодного газа, должно быть соответствующим образом отрегулировано. Одновременно с заполнением контура катодного газа контур анодного газа заполняется азотом, то есть в контуре анодного газа устанавливается то же самое давление азота, что и в контуре катодного газа, или наоборот. Необходимо заполнять оба контура газа примерно одновременно, потому что, если только один из обоих контуров газа будет заполнен азотом, азот в топливных элементах будет диффундировать через мембраны топливных элементов в сторону с более низким парциальным давлением азота. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто выравнивание парциальных давлений, т.е. одно и то же давление азота будет присутствовать с обеих сторон мембран.
Азот подается из резервуара для хранения азота через тракты инертного газа в контур катодного газа и контур анодного газа, например, в том же месте, в котором также подаются кислород или водород. В качестве альтернативы, также возможны другие места подачи. Установление требуемого парциального давления азота может выполняться аналогично установлению целевых давлений рабочего газа, т.е. предпочтительно давление и температуру измеряют в контурах газов топливных элементов (контуре катодного газа и контуре анодного газа), вычисляют, насколько велико должно быть парциальное давление азота при измеренной температуре, и затем с помощью устройства, такого как редуктор давления в тракте инертного газа, измеренное давление азота сравнивают с вычисленным целевым парциальным давлением азота и подают азот до тех пор, пока измеренное давление азота не будет соответствовать целевому давлению азота. В качестве альтернативы, также можно измерять массовый расход, а в качестве устройства для подачи инертного газа можно использовать регулятор массового расхода.
Затем кислород и водород дозируются в контур катодного газа или контур анодного газа до тех пор, пока не будет достигнуто целевое давление катодного рабочего газа или целевое давление анодного рабочего газа с учетом преобладающей при заполнении температуры. Подача кислорода и подача водорода предпочтительно должны выполняться по существу одновременно, чтобы поддерживать как можно более низким перепад давления между анодной стороной и катодной стороной в топливных элементах. Устанавливается определенное отношение концентраций водорода и кислорода. Перепад давления между установленным парциальным давлением инертного газа и установленным давлением рабочего газа (давлением анодного рабочего газа, давлением катодного рабочего газа) соответствует парциальному давлению реакционного газа (парциальному давлению кислорода, парциальному давлению водорода). Отношение парциального давления водорода к парциальному давлению кислорода соответствует отношению концентраций водорода и кислорода. В настоящем изобретении парциальные давления водорода и кислорода приблизительно равны. Поскольку во время реакции водорода потребляется в два раза больше, чем кислорода, то во время эксплуатации топливных элементов необходимо дозировать соответственно большее количество водорода.
После установки целевых концентраций водорода и кислорода в рабочих газах топливных элементов может осуществляться ввод в эксплуатацию топливоэлементного блока, то есть начало непрерывной работы и отбор электрического тока.
При полузамкнутой системы, которая имеет замкнутый контур анодного газа и разомкнутый тракт катодного газа, перед пуском в эксплуатацию системы топливных элементов заданная концентрация водорода должна устанавливаться только в контуре анодного газа. Она соответствует концентрации кислорода в окружающем воздухе, который используется в качестве рабочего газа на катодной стороне. При рабочих условиях в контуре анодного газа и в тракте катодного газа преобладают те же температуры и целевые давления рабочего газа, аналогично замкнутой системе.
При полузамкнутой системе сначала в тракт катодного газа подается воздух и одновременно в контур анодного газа подается азот, причем устанавливается парциальное давление азота, которое соответствует парциальному давлению азота в воздухе в тракте катодного газа. Затем дозируется водород в контур анодного газа до тех пор, пока в контуре анодного газа и тракте катодного газа не установится то же самое давление. Процедура в принципе такая же, как описано выше для замкнутой системы, за исключением того, что вышеописанные этапы выполняются только на анодной стороне, в то время как на катодной стороне воздух постоянно протекает через тракт катодного газа. При таком подходе первоначально существует разность давлений между контуром анодного газа и трактом катодного газа, которая, однако, находится в допустимом диапазоне.
После выключения системы топливных элементов остается газ в газовых трактах и жидкая вода в резервуарах для сбора воды. Перед повторным пуском в эксплуатацию системы топливных элементов вода должна опорожняться из резервуаров для сбора воды, и предпочтительно также газ должен удаляться из контура катодного газа или тракта катодного газа и контура анодного газа. Для этой цели в резервуарах или газовых трактах могут быть предусмотрены подходящие отверстия или клапаны. Предпочтительно, между двумя вводами в действие или между двумя периодами эксплуатации системы топливных элементов, контур катодного газа или тракт катодного газа и контур анодного газа предпочтительно продуваются инертным газом, чтобы удалить остаточную воду и обеспечить подходящее заполнение газом для повторного запуска системы.
Если система топливных элементов должна работать при относительно низком избыточном давлении и/или относительно низкой концентрации инертного газа, возможно, что количество инертного газа, которое присутствует в газовых контурах перед пуском в эксплуатацию, слишком велико, т.е. устанавливаемое целевое парциальное давление инертного газа меньше, чем атмосферное давление или давление окружающей среды. В этом случае газовые контуры (или контур анодного газа в случае полузамкнутой системы) откачивают до желательного целевого парциального давления инертного газа или откачивают до давления ниже устанавливаемого целевого парциального давления инертного газа, а затем устанавливают желательное целевое парциальное давление инертного газа путем подачи инертного газа.
Чтобы выпускать как можно меньше водорода в окружающую среду, то есть в атмосферу, между анодной торцевой пластиной и катодной торцевой пластиной может быть подключено так называемое выпускное сопротивление. Подключаемое выпускное сопротивление приводит к тому, что оставшиеся в системе после отключения системы реакционные газы потребляются, и в контуре катодного газа и контуре анодного газа остается, по существу, инертный газ.
Из соображений безопасности, в контуре катодного газа или тракте катодного газа и/или контуре анодного газа, предпочтительно в обоих, предпочтительно предусмотреть соответствующий пневматический выключатель, который контролирует давление катодного рабочего газа или анодного рабочего газа, и при превышении максимального давления система с помощью блокировочной схемы переключается в безопасное состояние. При превышении максимального давления подача газа прерывается. Прерывание подачи газа определяется логикой защиты системы топливных элементов, и система отключается.
В качестве дополнительных предохранительных устройств, в трактах газов от резервуаров для хранения газов к контуру катодного газа или контуру анодного газа могут быть предусмотрены запорные клапаны, чтобы предотвратить непреднамеренную подачу соответствующего газа (водорода и/или азота и/или кислорода) в неподходящее время. Другими полезными предохранительными устройствами являются обратные клапаны в газовых трактах от резервуаров для хранения газов (водорода и/или азота и/или кислорода) в местах подачи газа в контур катодного газа и контур анодного газа, чтобы предотвратить обратное протекание рабочих газов, если бы инертный газ и кислород ошибочно были поданы в контур катодного газа (в замкнутой системе), или инертный газ и водород ошибочно были поданы в контур анодного газа.
Замкнутые и полузамкнутые системы по изобретению принципиально идентичны на анодной стороне. В частности, обе на анодной стороне предпочтительно имеют один или более из следующих признаков, которые могут присутствовать в любых комбинациях друг с другом.
Система топливных элементов включает в себя устройство для подачи либо водорода из тракта водорода, либо азота из тракта азота в контур анодного газа в месте перехода контура анодного газа.
Устройство для подачи азота в контур анодного газа представляет собой редуктор давления в тракте азота, и/или устройство для подачи водорода в контур анодного газа представляет собой редуктор давления в тракте водорода.
Контур анодного газа имеет устройство для создания давления ниже давления окружающей среды в контуре анодного газа.
Система топливных элементов имеет по меньшей мере один резервуар для хранения жидкой воды, который гидравлически соединен с устройством для отделения жидкой воды от анодного отработавшего газа, предпочтительно через водяной насос.
Система топливных элементов имеет переключатель уровня заполнения в устройстве для отделения жидкой воды из анодного отработавшего газа и/или устройство для выпуска газа из тракта анодного отработавшего газа.
Система топливных элементов имеет обратный клапан и/или запорный клапан в тракте азота от источника азота к контуру анодного газа.
Система топливных элементов имеет пневматический выключатель в контуре анодного газа.
Во время эксплуатации системы топливных элементов в контуре анодного газа преобладает избыточное давление от 300 до 1000 гПа, и/или скорость потока газа в контуре анодного газа составляет от 2 до 4 м/с. Рабочее давление и скорость потока идентичны в контуре анодного газа и в контуре катодного газа или в тракте катодного газа соответственно.
Система топливных элементов по изобретению в принципе пригодна для снабжения электрической энергией любых потребителей. Преимущества системы топливных элементов по изобретению особенно важны во всех системах-потребителях, которые должны быть автономными как по техническим, так и по другим причинам, например, в случае устройств, которые должны использоваться в закрытых помещениях или транспортных средствах, особенно в подводных транспортных средствах.
Изобретение далее проиллюстрировано со ссылкой на чертежи. Следует отметить, что чертежи выполнены не в масштабе и без соблюдения пропорций. Кроме того, показаны только признаки, существенные для понимания настоящего изобретения. Понятно, что могут присутствовать дополнительные признаки или что не все показанные признаки являются существенными для функции настоящего изобретения. На чертежах показано следующее:
Фиг. 1 - схематичное изображение одной формы выполнения системы топливных элементов по изобретению;
Фиг. 2 - схематичное изображение альтернативной формы выполнения системы топливных элементов по изобретению; и
Фиг. 3 - схематичное изображение другой альтернативной формы выполнения системы топливных элементов по изобретению.
На фиг. 1 показано схематичное изображение замкнутой системы 1 топливных элементов по изобретению. Система 1 топливных элементов имеет топливоэлементный блок 2, который в проиллюстрированной форме выполнения состоит из одного единственного топливного элемента 3. В действительности топливоэлементный блок содержит множество топливных элементов, как правило, множество блоков топливных элементов, причем каждый - со своим множеством топливных элементов. Топливные элементы имеют обычную конструкцию, например, представляют собой снабженные полимерной электролитической мембраной топливные элементы с катодом 10 и анодом 20, каждый из которых снабжается по возможности по всей площади рабочим газом. Рабочий газ обычно протекает по полям течения, которые схематично проиллюстрированы на фиг. 1 как катодная проточная область 13 и анодная проточная область 23. Для охлаждения проиллюстрированный топливный элемент 3 имеет охлаждающую пластину 8.
Система топливных элементов работает с искусственным воздухом, то есть со смесью кислорода и азота, причем содержание кислорода в искусственном воздухе предпочтительно составляет от 20 до 50 объемных процентов, особенно предпочтительно от 40 до 50 объемных процентов. Во время работы системы 1 топливных элементов искусственный воздух непрерывно создается из компонентов кислорода и азота и подается в топливоэлементный блок 2. Рабочий газ на анодной стороне представляет собой смесь водорода и азота, которая также непрерывно создается из компонентов водорода и азота во время работы системы 1 топливных элементов и подается в топливоэлементный блок 2. Концентрация водорода в анодном рабочем газе равна концентрации кислорода в катодном рабочем газе.
Реакционные газы водород и кислород и инертный газ азот предусмотрены в соответствующих резервуарах, в показанной форме выполнения - баллоне 30 со сжатым кислородом, баллоне 40 со сжатым водородом и баллоне 50 со сжатым азотом. Резервуар для хранения азота может быть значительно меньше, чем резервуары для хранения реакционных газов, так как азот не потребляется во время реакции топливных элементов, а скорее то же самое количество азота вводится в контур в течение всей эксплуатации топливных элементов. Размер резервуаров для хранения реакционных газов зависит от запланированной длительности работы топливных элементов. Разумеется, резервуары для хранения не ограничиваются баллонами сжатого газа.
Существенным аспектом настоящего изобретения является выполнение системы топливных элементов с замкнутым контуром 11 катодного газа, в который избирательно подается азот или кислород, и с замкнутым контуром 21 анодного газа, в который избирательно подается водород или азот. Контур 11 катодного газа состоит из тракта 12 катодного рабочего газа, который на впуске газа в топливные элементы переходит в катодную проточную область 13, которая, в свою очередь, на выпуске газа из топливных элементов переходит в тракт 14 катодного отработавшего газа. Тракт 14 катодного отработавшего газа, в свою очередь, сливается в месте 15 перехода с трактом 12 катодного рабочего газа. Контур 21 анодного газа состоит из тракта 22 анодного рабочего газа, который на впуске газа в топливные элементы переходит в анодную проточную область 23, которая, в свою очередь, на выпуске газа из топливных элементов переходит в тракт 24 анодного отработавшего газа. Тракт 24 анодного отработавшего газа сливается в месте 25 перехода с трактом 22 анодного рабочего газа. Система топливных элементов по настоящему изобретению выполнена таким образом, чтобы осуществлять полную рециркуляцию отработавших газов топливных элементов и не выпускать отработавшие газы в окружающую среду. Трактами являются шлангопроводы или трубопроводы.
Катодная проточная область 13 и анодная проточная область 23 обычно ʺрасходятся вееромʺ, то есть на впуске газа в топливные элементы находятся газораспределители, которые распределяют катодный рабочий газ и анодный рабочий газ как можно более равномерно по всему топливоэлементному блоку 2, а на выпуске газа из топливных элементов находятся коллекторы, которые собирают катодный отработавший газ и анодный отработавший газ и подают в тракт 14 катодного отработавшего газа и тракт 24 анодного отработавшего газа соответственно.
Датчик 18 давления в тракте 12 катодного рабочего газа и датчик 19 температуры в тракте 14 катодного отработавшего газа служат для определения давления газа и температуры газа в контуре 11 катодного газа. Датчик 28 давления в тракте 22 анодного рабочего газа и датчик 29 температуры в тракте 24 анодного отработавшего газа служат для определения давления и температуры газа в контуре 21 анодного газа. Однако также достаточно обеспечить только один из датчиков 19, 29 температуры, предпочтительно датчик 19 температуры в контуре катодного газа, поскольку температуры газа в контуре анодного газа и в контуре катодного газа примерно одинаковы как во время заполнения, так и во время работы системы топливных элементов. Кроме того, датчики могут быть расположены в любом месте в контуре 11 катодного газа и в контуре 21 анодного газа. По измеренному давлению и измеренной температуре электроника системы может вычислять количество газа, присутствующего в контуре 11 катодного газа и в контуре 21 анодного газа.
В проиллюстрированной форме выполнения кислород подается из баллона 30 сжатого газа через тракт 31 кислорода (кислородную линию 31), в котором находится редуктор 33 давления, к клапану 32 для подачи в контур 11 катодного газа. Водород подается из баллона 40 сжатого газа через тракт 41 водорода (водородную линию), в котором находится редуктор 43 давления, к клапану 42 для подачи в контур 21 анодного газа. Азот подается из баллона 50 сжатого газа через тракт 51, 52 инертного газа к клапану 32 для подачи в контур 11 катодного газа и также подается через тракт 51, 54 инертного газа к клапану 42 для подачи в контур 21 анодного газа. На участке 51 тракта инертного газа находятся редуктор 53 давления, а также необязательный запорный клапан 55, что позволяет надежно исключить приток азота в контур 11 катодного газа и контур 21 анодного газа в неподходящий момент времени. За счет того, что предусмотрен редуктор 53 давления на участке 51 тракта инертного газа, обеспечивается то, что в контуре 11 катодного газа и контуре 21 анодного газа устанавливается то же самое парциальное давление инертного газа.
В проиллюстрированной форме выполнения азот и кислород подаются посредством общего устройства 32, которое позволяет подавать либо кислород, либо азот, такое как клапан, который может переключаться между подачей кислорода и подачей азота, в месте 15 подачи (месте перехода) в контур 11 катодного газа. Азот и водород подаются аналогичным образом посредством общего клапана 42, который может переключаться между подачей водорода и подачей азота, в месте 25 подачи (месте перехода) в контур 21 анодного газа. Подходящие клапаны 32 и 42, например, представляют собой 3-2-ходовые магнитные клапаны. В общем, для всех клапанов предпочтительно применяются магнитные клапаны.
Альтернативно, также возможно отдельно подавать кислород и азот в контур 11 катодного газа и/или подавать водород и азот отдельно в контур 21 анодного газа. При этом место подачи кислорода определяет место 15 перехода, а место подачи водорода определяет место 25 перехода. Подача азота может, в принципе, осуществляться в любом месте контура 11 катодного газа или контура 21 анодного газа, естественно, вне самих топливных элементов. При отдельной подаче предпочтительно обеспечить в тракте инертного газа, тракте кислорода и тракте водорода, соответственно, запорный клапан, чтобы предотвратить одновременную подачу азота и кислорода в контур катодного газа или одновременную подачу азота и водорода одновременно в контур анодного газа.
Топливоэлементный блок 2 работает на катодной стороне с искусственным воздухом, например, с содержанием кислорода 50 объемных процентов, а на анодной стороне - со смесью водорода/азота. Если содержание кислорода составляет 50 объемных процентов, то содержание водорода также составляет 50 объемных процентов. Перед началом непрерывной работы топливных элементов и отбора энергии контур 21 анодного газа и контур 11 катодного газа заполняются желательными рабочими газами. Процедура объясняется ниже на конкретном числовом примере.
Из применимой с хорошим приближением формулы  (p=давление; V=объем; m=масса; M=молярная масса; R=газовая постоянная; T=температура) следует, что для установления желательных концентраций реакционных газов (целевых концентраций) имеют значение давление и температура, а также масса и молярная масса используемых газов и подлежащий заполнению объем.
g
g
g
O2
О2
N2
g
O2
N2
3
-1
-2
-1
-1
-1
-1
2
-2
-1
-1
Для примерного объема контура катодного газа V=0,0035 м, желательного абсолютного давления реакции (целевого давления) катодного рабочего газа р=4451 гПа (445100 кг⋅м⋅с абсолютное), температуры газа в контуре катодного газа Т=327 K (54°С) и желательной концентрации кислорода 50 об.% (χ=0,5) при молярной массе кислорода М=15,9994 г⋅моль, молярной массе азота M=14,0067 г⋅моль и газовой постоянной R=8,314 Дж⋅мольK (8,314 кг⋅м⋅с⋅моль⋅K) для полной массы газа m=m+m в контуре 11 катодного газа к стабильному моменту времени перед непрерывной работой топливных элементов, то есть перед началом отбора тока, без газообразного или жидкого компонента воды, получается:
.
g
O2
N2
O2
N2
С использованием приведенных выше численных значений для требуемой полной массы газа в контуре 11 катодного газа получается m=9,170 г. Принимая во внимание соотношение молярных масс кислорода и азота M/M=15,9994:14,0067, получается для массы кислорода m=4,585 г и для массы азота m=4,281 г.
N2
Когда заполнение азотом происходит при 23°C (296 K), должно устанавливаться парциальное давление азота p, которое получается из:
гПа (абсолютное).
Это парциальное давление устанавливается при пуске в эксплуатацию системы топливных элементов в контуре 11 катодного газа и в контуре 21 анодного газа.
Однако приведенный выше расчет не учитывает, что в качестве продукта реакции во время реакции топливных элементов образуется вода, которая в некоторой доле совместно переносится в газообразной форме в контуре катодного газа и в контуре анодного газа. Газообразная вода заменяет часть инертного газа, так что при пуске в эксплуатацию системы топливных элементов соответственно необходимо подавать меньше инертного газа в контур 11 катодного газа и в контур 21 анодного газа. Требуемое количество инертного газа с учетом образовавшейся реакционной воды может быть рассчитано в соответствии с уравнением Вагнера
sat
c
c
c
c
g
p обозначает давление насыщения, p - критическое давление газа, и T - критическая температура воды. p составляет 220600 гПа, а T составляет 647,1 K. T обозначает температуру газа в контуре катодного газа или в контуре анодного газа, и A, B, C, D - коэффициенты Вагнера (A=-7,71374, B=1,31467, C=-2,51444, D=-1,72542). В отношении уравнения Вагнера и вышеупомянутых значений сошлемся на VDI-Wärmeatlas, 10. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 2006.
Н2О
Н2О
sat
g
При подстановке параметров получается концентрация χ газообразной воды в контуре катодного газа и в контуре анодного газа χ=p/p=0,249.
g
p обозначает целевое давление катодного рабочего газа или анодного рабочего газа (4451 гПа абсолютное).
g
O2
N2
H2O
Для полной массы газа m=m+m+m в контуре 11 катодного газа к стабильному моменту времени во время работы топливного элемента, таким образом, получается
g
g
О2
где V, T и χявляются такими, как указано выше, при расчете без доли газообразной воды.
O2
N2
H2O
g
Путем подстановки параметров получается для массы кислорода m=4,585 г, для массы азота m=2,018 г, а для массы газообразной воды m=2,567 г. Полная масса m газа составляет 9,170 г.
0
Когда контур анодного газа и контур катодного газа заполняются азотом при пуске в эксплуатацию системы топливных элементов, если температура Т составляет 296 К, должно устанавливаться давление азота, которое получается из
.
N2
Результатом является давление азота p, равное 1013 гПа (абсолютное).
При пуске в эксплуатацию системы 1 топливных элементов и перед пуском в эксплуатацию топливоэлементного блока 2, в контуре катодного газа и в контуре анодного газа по существу одновременно устанавливают парциальное давление азота 1013 гПа. Парциальное давление азота в 1013 гПа в контуре 11 катодного газа устанавливают путем открытия клапана 55 в тракте 51 инертного газа, при этом азот поступает в 3-2-ходовой клапан 32, который может переключаться между подачей кислорода и азота. Клапан 32 переключается на подачу азота, так что азот поступает в контур 11 катодного газа через тракт 34 в месте 15 перехода. Давление азота измеряется с помощью датчика 18 давления, и редуктор 53 давления в тракте 51 инертного газа сравнивает измеренное давление с целевым значением 1013 гПа и позволяет азоту поступать до достижения давления азота 1013 гПа (эти давления обозначают соответственно абсолютные давления).
По существу одновременно с заполнением контура 11 катодного газа, контур 21 анодного газа заполняется азотом. По существу одновременное заполнение с тем же давлением азота, что и в контуре катодного газа, необходимо для предотвращения миграции азота при выравнивании парциальных давлений. Для заполнения контура 21 анодного газа азотом 3-2-ходовой клапан 42, который может переключаться между подачей водорода и азота, переключается на подачу азота, так что азот поступает через тракт 44 азота к месту 25 перехода и в контур 21 анодного газа. Давление азота в контуре 21 анодного газа измеряется с помощью датчика 28 давления. Редуктор 55 давления сравнивает измеренное давление с целевым давлением 1013 гПа, которое должно быть установлено, и позволяет азоту поступать до достижения этого давления.
О2
N2
g
g
g
Н2
N2
g
Затем получают смеси рабочих газов. Для этой цели клапан 32 переключается на подачу кислорода, а клапан 42 переключается на подачу водорода. Поскольку в данном примере выполнения катодный рабочий газ имеет содержание кислорода 50 об.%, устанавливаемое парциальное давление кислорода p равно парциальному давлению азота p без учета реакционной воды, то есть 2149 гПа. Тем самым для полного давления рабочего газа р при температуре заполнения 23°C получается устанавливаемое давление 4156 гПа. Это давление в контуре 11 катодного газа устанавливается аналогичным образом, как и парциальное давление азота, то есть давление р измеряется датчиком 18 давления, и редуктор 33 давления сравнивает измеренное давление с заданным целевым значением. Пока измеренное давление меньше заданного целевого значения 4156 гПа, клапан редуктора давления открывается настолько, что в контур катодного газа поступает достаточное количество кислорода, чтобы достичь заданного целевого значения. Как только давление, измеренное датчиком давления, достигает заданного целевого значения, клапан редуктора 33 давления закрывается. Одновременно в контуре 21 анодного газа устанавливается давление газа р=р+p, также равное 4156 гПа, за счет того что давление р в контуре 21 анодного газа измеряется посредством датчика 28 давления, и измеренное давление сравнивается редуктором 43 давления с заданным целевым значением. Клапан редуктора 43 давления открывается для поступления водорода в контур 21 анодного газа до тех пор, пока не будет достигнуто заданное целевое значение. Затем клапан редуктора давления закрывается. Клапаны 32 и 42 остаются в своем положении, то есть остаются установленными на протекание соответственно кислорода и водорода. Теперь система 1 топливных элементов готова к пуску в эксплуатацию топливоэлементного блока 2. Давления означают, соответственно, абсолютное давление.
Вышеприведенный пример был выбран таким образом, что устанавливаемое парциальное давление азота приблизительно равно атмосферному давлению, так что соответствующее парциальное давление азота устанавливается простым продуванием контура катодного газа и контура анодного газа азотом. Однако при условиях работы возникают давления рабочих газов, превышающие диапазон от 300 до 1000 гПа (избыточное давление), являющийся предпочтительным в настоящем изобретении. Для установки давлений рабочих газов в предпочтительном диапазоне должны устанавливаться парциальные давления азота (абсолютные давления), которые ниже атмосферного давления, то есть контур катодного газа и контур анодного газа должны быть вакуумированы перед установкой желательных давлений инертного газа. Для этой цели в контуре катодного газа и контуре анодного газа соответственно предусмотрено устройство для создания пониженного давления (разрежения), такое как вакуумный насос (на чертежах не показано). Достаточно небольших легких насосов с малой мощностью всасывания, так как не требуется создать высокий вакуум. Достаточно, если может быть создано устанавливаемое парциальное давление азота (например, приблизительно от 200 до 800 гПа, в абсолютном значении) или давление немного ниже устанавливаемого парциального давления азота, так что за счет подачи азота может устанавливаться желательное парциальное давление азота (целевое парциальное давление азота), как описано выше.
Перед началом эксплуатации топливоэлементного блока 2 и, предпочтительно, уже во время заполнения контура 11 катодного газа и контура 21 анодного газа, в контуре 11 катодного газа и контуре 21 анодного газа соответственно создается рециркулирующий поток для достижения хорошего распределения газа и смешивания инертного газа и реакционного газа, например, с помощью рециркуляционного насоса 7 в тракте 14 катодного отработавшего газа или с помощью рециркуляционного насоса 27 в тракте 24 анодного отработавшего газа. В качестве альтернативы, один или оба насоса могут быть заменены струйным соплом. Поддержание скорости потока важно для обеспечения того, что свежие рабочие газы постоянно транспортируются в топливные элементы, а отработавшие газы и образующаяся при реакции в топливных элементах вода транспортируются из топливных элементов.
Образующаяся при реакции в топливных элементах вода должна быть удалена из отработавшего газа топливных элементов, поскольку в противном случае она будет накапливаться все больше и больше в контуре катодного газа и в контуре анодного газа, и в итоге топливные элементы были бы ʺзатопленыʺ водой. Поэтому в тракте 14 катодного отработавшего газа предусмотрен водоотделитель 16, а в тракте 24 анодного отработавшего газа предусмотрен водоотделитель 26. В водоотделителях 16, 26 жидкая вода отделяется от газового потока и собирается, в то время как газообразная вода остается в катодном отработавшем газе и в анодном отработавшем газе. После отделения жидкой воды катодный отработавший газ полностью подается в тракт 12 катодного рабочего газа, а анодный отработавший газ полностью подается в тракт 22 анодного рабочего газа. Из-за подачи отработавших газов топливных элементов в тракты рабочих газов во время работы топливоэлементного блока 2 рабочие газы обедняются реакционными газами кислородом и водородом, из-за чего давление, измеренное датчиками 18 и 28 давления, становится ниже, чем целевое давление при соответствующей температуре газа, измеренной посредством датчиков 19 и/или 29 температуры в тракте 14 катодного отработавшего газа и/или в тракте 24 анодного отработавшего газа. Однако в соответствии с изобретением обеспечивается то, что во время эксплуатации топливоэлементного блока 2 давление в контуре 11 катодного газа и контуре 21 анодного газа поддерживается постоянным. Для этой цели предусмотрено устройство для подачи кислорода в контур 11 катодного газа и устройство для подачи водорода в контур 21 анодного газа, посредством которых могут подаваться регулируемые количества соответственно кислорода и водорода. В проиллюстрированной форме выполнения используются редуктор 33 давления и редуктор 43 давления. Давление в контуре 11 катодного газа и контуре 21 анодного газа поддерживается постоянным путем открытия клапана редуктора 33 давления и клапана редуктора 43 давления настолько, что кислород или водород непрерывно или регулярно подается в контур 11 катодного газа или контур 21 анодного газа, чтобы восполнять израсходованный кислород или израсходованный водород.
В качестве альтернативных устройств для подачи по мере необходимости кислорода, водорода и азота также могут использоваться регуляторы массового расхода.
В проиллюстрированной форме выполнения водоотделители 16 и 26 снабжены соответственно переключателем 67 или 68 уровня заполнения и клапаном 64 или 65 для слива воды. Переключатели 67, 68 уровня заполнения контролируют уровень заполнения водоотделителей 16, 26 и обеспечивают, чтобы заданный уровень заполнения не превышался. Как только уровень воды в водоотделителях 16, 26 поднимается до такой степени, что переключатели уровня смачиваются, клапаны 64, 65 для слива воды открываются, и вода выпускается. Время слива выбирается таким образом, что в водоотделителях 16, 26 еще остается некоторое количество воды, чтобы предотвратить отток катодного отработавшего газа или анодного отработавшего газа. Подходящие времена слива находится в диапазоне от 1 до 3 секунд. Выпущенная вода течет по линиям 62, 63 в водосборный резервуар 60 при помощи водяного насоса 61, который приводится в действие, когда один из клапанов 64, 65 слива воды или они оба открыты.
В проиллюстрированной форме выполнения в тракте 12 катодного рабочего газа имеется пневматический выключатель 4, а в тракте 22 анодного рабочего газа - пневматический выключатель 6. Эти пневматические выключатели контролируют давление рабочих газов и при превышении заданного максимального давления катодного рабочего газа или анодного рабочего газа переводят всю систему в безопасное состояние с помощью схемы защиты, как описано выше.
В трактах 52 и 54 азота предусмотрены обратные клапаны 56, 57. Обратный клапан 56 предотвращает обратный поток катодного рабочего газа, если бы клапан 32 во время работы топливоэлементного блока 2 был ошибочно переключен на пропускание азота, а обратный клапан 57 предотвращает обратный поток анодного рабочего газа, если бы клапан 42 во время работы топливоэлементного блока 2 был ошибочно переключен на пропускание азота.
Другая форма выполнения замкнутой системы 1 топливных элементов по изобретению схематично показана на фиг. 2. Система 2 топливных элементов в соответствии с показанной на фиг. 2 формой выполнения идентична показанной на фиг. 1 системе топливных элементов в отношении большинства конструктивных элементов. Идентичные ссылочные позиции обозначают одни и те же или соответствующие конструктивные элементы. Система топливных элементов, показанная на фиг. 2, имеет только один датчик 19 температуры в контуре 11 катодного газа. Подключаемое выпускное сопротивление 9 обеспечивает генерацию мощности топливными элементами и, следовательно, потребление реакционных газов после выключения системы 2 топливных элементов. Кроме того, в представленной на фиг. 2 форме выполнения в качестве устройств для создания потока в контуре 11 катодного газа и контуре 21 анодного газа предусмотрены сопла Вентури 17 и 27 в месте 15 перехода контура 11 катодного газа и в месте 25 перехода контура 21 анодного газа. Посредством газа, втекающего в сопла Вентури из линий 34 и 44, отработавший газ из линий 14 и 24 соответственно всасывается и подается в тракт 12 катодного рабочего газа или тракт 22 анодного рабочего газа.
Кроме того, представленная на фиг. 2 система топливных элементов имеет клапан 5 для выпуска газа из контура 11 катодного газа и клапан 7 для выпуска газа из контура 21 анодного газа. После выключения системы топливных элементов или по меньшей мере перед повторным пуском в эксплуатацию системы топливных элементов, все еще присутствующие в системе газы и присутствующая в системе вода должны быть выпущены. Это может быть осуществлено, например, клапаном 5 в тракте 14 катодного отработавшего газа и клапаном 7 в тракте 24 анодного отработавшего газа, а также клапаном 66 для слива воды. Газы и вода сбрасываются в среду, окружающую систему топливных элементов, или, в случае встроенных в систему-потребителя систем топливных элементов, в среду, окружающую систему-потребителя, в которую встроена система топливных элементов, то есть в атмосферу, однако только по окончании выполняемой системой-потребителем миссии. С другой стороны, во время выполняемой миссии система-потребитель представляет собой полностью замкнутую систему, что имеет существенное значение, в частности, для транспортных средств, таких как подводные транспортные средства (подводные лодки). Однако выпуск газов из газовых контуров после завершения выполняемой системой-потребителем миссии также может происходить иным образом, а не с помощью клапанов 5, 7, например, вместе с собранной водой в водоотделителях 16, 26 через их выпускные отверстия.
Следующая форма выполнения системы 1 топливных элементов по изобретению схематично показана на фиг. 3. Показанная на фиг. 3 форма выполнения представляет собой полузамкнутую систему, т.е. система является замкнутой только на анодной стороне, в то время как на катодной стороне воздух отбирается из окружающей среды, а обедненный кислородом воздух выпускается в окружающую среду после осуществления реакции топливных элементов. Система топливных элементов согласно показанной на фиг. 3 форме выполнения идентична на анодной стороне показанной на фиг. 2 системе топливных элементов. Идентичные ссылочные позиции обозначают одни и те же или соответствующие конструктивные элементы.
Система 1 топливных элементов согласно фиг. 3 имеет тракт 11' катодного газа, который содержит тракт 12 катодного рабочего газа, катодную проточную область 13 и тракт 14 катодного отработавшего газа. Тракт 12 катодного рабочего газа и тракт 14 катодного отработавшего газа гидравлически отделены друг от друга. Воздух в качестве катодного рабочего газа, предпочтительно естественный окружающий воздух, подается в тракт 11' катодного газа через источник 30' воздуха. Предпочтительным источником воздуха является воздуходувка с мощностью, которая обеспечивает достаточную скорость потока катодного рабочего газа в тракте 11' катодного газа.
В тракте 11' катодного газа находятся, кроме того, датчик 35 для определения концентрации кислорода и содержания азота в подаваемом катодном рабочем газе, датчик 18 давления, датчик 19 температуры и пневматический выключатель 4. Датчики 35, 18 и 19 и пневматический выключатель 4 являются необязательными компоненты. Также необязательным является показанный на фиг. 3 запорный клапан 32', который позволяет отделять тракт 11' катодного газа от источника 30' воздуха. Источник 30' воздуха и клапан 32' соединены трактом 31' воздуха.
Воздух, подаваемый от источника 30' воздуха, поступает в тракт 12 катодного рабочего газа, протекает через катодную проточную область 13 и, наконец, покидает топливоэлементный блок в виде обедненного кислородом катодного отработавшего газа через тракт 14 катодного отработавшего газа. Тракт 14 катодного отработавшего газа выпускает катодный отработавший газ в окружающую среду. В тракте 14 катодного отработавшего газа находится устройство, которое создает определенное сопротивление оттоку катодного отработавшего газа и одновременно предотвращает возможный поток газа в противоположном направлении, такое как подпружиненный обратный клапан или дроссельный клапан. Это устройство 5' обеспечивает поддержание желательного давления катодного рабочего газа во время эксплуатации системы 1 топливных элементов.
Перед пуском в эксплуатацию системы топливных элементов согласно фиг. 3, сначала окружающий воздух с помощью источника 30' воздуха может поступать в тракт 12 катодного рабочего газа, и одновременно азот из источника 50 азота может поступать в тракт 22 анодного рабочего газа (при необходимости, после вакуумирования контура 21 анодного газа), при этом устанавливается парциальное давление азота, которое соответствует парциальному давлению азота воздуха в тракте 12 катодного рабочего газа. Установление требуемого парциального давления азота в контуре 21 анодного газа осуществляется таким же образом, как описано выше для замкнутых систем. Затем водород подается в тракт 22 анодного рабочего газа из источника 40 водорода до тех пор, пока в контуре 21 анодного газа и в тракте 11' катодного газа не будет иметь место одно и то же давление. При этом на анодной стороне снова происходит то, что описано выше для замкнутых систем. Разумеется, здесь также следует учитывать, что во время эксплуатации системы топливных элементов изменяется температура, а также образуется вода-продукт реакции. На анодной стороне вода-продукт реакции должна отделяться от анодного отработавшего газа и собираться в сборном резервуаре, как описано выше. Отделение воды-продукта реакции из катодного отработавшего газа является необязательным. Альтернативно, вода-продукт реакции также может быть выпущена в окружающую среду вместе с катодным отработавшим газом.
Замкнутая система топливных элементов может также эксплуатироваться с небольшими изменениями как замкнутая на анодной стороне или замкнутая на катодной стороне система. Если, например, показанная на фиг. 2 система, замкнутая на анодной стороне и на катодной стороне, будет работать как замкнутая на анодной стороне, но открытая на катодной стороне, то между трактом 12 катодного рабочего газа и трактом 14 катодного отработавшего газа, то есть между водоотделителем 16 и трубкой Вентури 17, должна быть предусмотрена возможность отделения тракта 12 катодного рабочего газа от тракта 14 отработавшего газа. Это может осуществляться, например, с помощью простого запорного клапана, такого как клапаны 5 и 55. Клапан 5 для выпуска газа из контура 11 катодного газа должен быть заменен устройством 5' согласно фиг. 3, или дополнительно подобное устройство 5' должно быть предусмотрено в тракте выпуска катодного отработавшего газа. Посредством места соединения в тракте 31 кислорода между редуктором 33 давления и 3-2-ходовым клапаном 32 источник 30 кислорода может быть отсоединен и заменен источником 30' воздуха. Тогда показанная на фиг. 2 система топливных элементов готова к работе как система, замкнутая только на анодной стороне. Аналогичным образом, система, замкнутая на катодной стороне, но открытая на анодной стороне, может быть получена модификацией на анодной стороне.