СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
FUEL ELEMENT SYSTEM

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента и, более конкретно, к системе топливного элемента, в котором топливный элемент работает с закрытым каналом отвода топливного газа.
Предпосылки создания изобретения
Топливный элемент имеет множество топливных элементов, образованных путем наложения множества элементов.
Элемент образован наложением, например, мембранно-электродной сборки (МЭС) и сепаратора. Мембранно-электродная сборка включает в себя электролитическую мембрану, выполненную из ионообменного полимера; анод, расположенный на одной поверхности электролитической мембраны, и катод, расположенный на другой поверхности электролитической мембраны. И анод, и катод включают в себя каталитический слой, который помещен в контакте с электролитической мембраной. Когда на каждый электрод подает химически активный газ, между электродами возникает электрохимическая реакция, при которой генерируется электродвижущая сила. Более конкретно, эта реакция возникает, когда на анод подают водород (топливный газ), а на катод подают кислород (газ-окислитель).
По существу на катод подают воздух, отобранный компрессором из окружающей среды. С другой стороны, на анод подают водород, хранящийся в водородном баке высокого давления. В качестве способа подачи водорода на анод применяют так называемый "способ тупика" (см., напр., Патентный документ 1). Когда используют такой способ, работа осуществляется с закрытым каналом водорода, когда водород подают на анод в количестве, равном количеству поглощаемого водорода.
Когда применяемая система топливного элемента основана на способе тупика, количество загрязнений, накопленных в канале топливного газа, со временем увеличивается. Например, азот, содержащийся в воздухе, подаваемом на катод, проходит сквозь электролитическую мембрану и накапливается на стороне анода. Поэтому система топливного элемента, раскрытая в Патентном документе 1, включает в себя продувочный клапан для периодического высвобождения примесей из канала топливного газа. Дополнительно, когда напряжение на топливном элементе ниже заранее определенного значения, его можно восстановить, открыв продувочный клапан.
Патентный документ 1:
Выложенная заявка на патент Японии (РСТ) № 2004-536436
Краткое описание изобретения
Проблема, решаемая изобретением
Однако если открыть продувочный клапан в системе топливного элемента, в которой для стороны катода используется углерод, когда потенциал катода не ниже заранее определенного значения, углерод окисляется, что приводит к повреждению топливного элемента.
Настоящее изобретение было создано с учетом вышеописанных обстоятельств. Целью настоящего изобретения является высвобождение примесей, накопившихся на стороне анода, при этом предотвращая реакцию окисления углерода в системе топливной ячейки, основанной на способе тупика.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего подробного описания.
Средство решения проблемы
Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, которая имеет топливный элемент, содержащий анод и катод, установленные по разные стороны от электролитической мембраны, подающей топливный газ на анод, подающей газ-окислитель на катод и работающей при закрытом канале для отвода высвобождаемого топливного газа от топливного элемента, причем на стороне катода используется углерод, причем система топливного элемента содержит:
средство измерения напряжения для измерения напряжения топливного элемента;
средство продувки для выполнения продувки путем открывания канала отвода топливного газа; и
средство ограничения продувки для ограничения работы средства продувки, когда напряжение, измеренное средством измерения напряжения не меньше заранее определенного значения.
Когда потенциал катода, на котором окисляется углерод, составляет Х, а максимальное значение потенциала анода составляет Y, то заранее определенное значение равно Х - Y.
Предпочтительно, значение Х находится между 1,1 В и 1,3 В, а значение Y находится между 0,45 В и 0,55 В.
Предпочтительно, значение Х составляет 1,2 В.
Предпочтительно, заранее определенное значение составляет 0,7 В.
Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, дополнительно содержащей:
средство уменьшения напряжения для уменьшения напряжения топливного элемента, когда напряжение, измеренное средством измерения напряжения не ниже заранее определенного значения.
Средство уменьшения напряжения задает ток на топливном элементе на максимальное значение, допустимого тока в топливном элементе.
Средство уменьшения напряжения задает давление топливного газа на минимальное давление, требуемое для продувки.
Эффекты изобретения
Согласно настоящему изобретению система топливного элемента включает в себя средство ограничения продувки, которое ограничивает работу средства продувки, когда напряжение, измеренное средством измерения напряжения, не меньше заранее определенного значения. Это позволяет высвободить примеси, накопленные на стороне анода, одновременно подавляя реакцию окисления углерода на стороне катода.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая типичную конфигурацию системы топливного элемента по варианту настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематический вид в поперечном разрезе, иллюстрирующее типичный элемент, включенный в топливный элемент.
Фиг. 3 - вид, показывающий изменение во времени потенциалов электрода анода и катода и изменение во времени напряжения на топливном элементе.
Фиг. 4 - вид, показывающий отношение между потенциалом катода и величиной окисления углерода.
Фиг. 5 - вид, показывающий отношение между током и напряжением топливного элемента.
Фиг. 6 - диаграмма, иллюстрирующая типичную конфигурацию системы топливного элемента по варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 - диаграмма, иллюстрирующая типичную конфигурацию системы топливного элемента по варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание позиций на чертежах
1 - система топливного элемента
2 - топливный элемент
3 - двигатель
4 - компрессор
5 - увлажнитель
6 - бак с водородом
7 - клапан, регулирующий давления водорода
8 - канал
9 - продувочный клапан
10 - очиститель воздуха
11 - средство измерения напряжения
12 - управляющее устройство
13 - средство ограничения продувки
16 - средство продувки
17 - средство уменьшения напряжения
21 - элемент
22 - MEGA
23, 24 - сепаратор
25 - электролитическая мембрана
26 - анод
27 - катод
28, 29 - газовый диффузионный слой.
Подробное описание предпочтительного варианта
На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая типичную конфигурацию системы топливного элемента по варианту осуществления настоящего изобретения. Эта система топливного элемента может использоваться не только как система топливного элемента, устанавливаемая на транспортных средствах или стационарно, но также использоваться в различных других применениях. Стрелки на фиг. 1 указывают направление потока газа.
Как показано на фиг. 1, система 1 топливного элемента включает в себя топливный элемент 2. Катод топливного элемента 2 соединен с каналом 14 для газа-окислителя (воздуха). На верхнем по потоку конце канала 14 для газа-окислителя установлен воздухоочиститель 10, удаляющий из воздуха грязь и другие посторонние вещества. Ниже по потоку после воздухоочистителя 10 установлен компрессор 4. Приводимый в действие двигателем 3, компрессор 4 подает сжатый воздух на топливный элемент 2. Ниже по потоку после компрессора 4 установлен увлажнитель 5 для извлечения влаги из отводимого газа-окислителя, который высвобождается из топливного элемента 2, и для увлажнения воздуха, подаваемого в топливный элемент 2.
Анод топливного элемента 2 соединен с каналом 15 для топливного газа (водорода). Бак 6 с водородом соединен с верхним по потоку концом канала 15 для топливного газа и хранит осушенный водород в сжатом состоянии. Клапан 7, регулирующий давление водорода установлен вниз по потоку после бака 6 для водорода и регулирует давление водорода, подаваемого из бака 6 в топливный элемент 2. Анод топливного элемента 2 также соединен с каналом 8 для отвода топливного газа, который высвобождается из топливного элемента 2. В канале 8 для отвода топливного газа установлен продувочный клапан 9. Открытие продувочного клапана 9 приводит к продувке отводимого топливного газа в соответствии с открытием клапана.
В системе 1 топливного элемента для подачи водорода на анод используется способ тупика. Работа топливного элемента в режиме тупика обеспечивает генерирование энергии, по меньшей мере, в одном из следующих режимов:
(1) Топливный элемент обеспечивает непрерывное генерирование энергии без высвобождения воздуха от анода.
(2) Топливный элемент обеспечивает непрерывное генерирование энергии, когда парциальное давление примесей (азота и пр.) на аноде, которые проходят от катода через электролитическую мембрану, по существу уравновешено с парциальным давлением примесей на катоде. Другими словами, топливный элемент обеспечивает генерирование энергии в состоянии, когда парциальное давление примесей на аноде поднялось до парциального давления примесей на катоде.
(3) Топливный элемент потребляет по существу весь топливный газ, поданный на анод, при реакции генерирования энергии. Предпочтительно, чтобы потреблялось все поданное топливо, кроме той части, которая вытекла через уплотнение или пленку в другие секции, не являющиеся анодом.
В системе 1 топливного элемента, согласно настоящему изобретению, работа в режиме тупика может проводиться путем подачи водорода из бака 6 для водорода при закрытом продувочном клапане 9, чтобы заблокировать канал 8 для отвода топливного газа. Система 1 топливного элемента по настоящему варианту изобретения может использоваться не только для топливного элемента, который работает в режиме тупика во всей зоне генерирования энергии, но и для топливного элемента, который работает в режиме тупика, по меньшей мере, в части зоны генерирования энергии (например, только в режиме малой рабочей нагрузки).
Топливный газ, подаваемый на анод, не ограничен водородом. Например, в качестве источника водорода, подаваемого на анод, можно использовать реформированный газ, полученный при реакции реформинга углеводородов. В этом случае в качестве углеводородной смеси может использоваться природный газ на основе метана, метанол или прочий спирт, или бензин. Дополнительно, подходящие катализатор и температуру для реакции реформинга выбирают в соответствии с типом применяемой углеводородной смеси. Затем образуется реформированный газ с высоким содержанием водорода и включающий водород, двуокись углерода и воду.
Топливный элемент образован множеством наложенных элементов. Каждый элемент образован электролитической мембраной, помещенной между парой электродов (анодом и катодом).
На фиг.2 приведен схематический вид в поперечном разрезе типичного элемента, включенного в топливный элемент 2. Как показано на фиг. 2, элемент 21 сформирован путем наложения сборки мембранного электрода с газодиффузионным слоем (membrane electrode gas-diffusion-layer assembly, MEGA) 22 и сепараторов 23, 24, в которых сформирована реакция газовых каналов. MEGA 22 включает в себя электролитическую мембрану 25, выполненную из твердого полимера. На одну поверхность электролитической мембраны 25 помещен анод 26, выполненный из каталитического слоя. На другую поверхность мембраны 25 помещен катод 27, выполненный из каталитического слоя. Газодиффузионные слои 28, 29 помещены на внешние поверхности анода 26 и катода 27. Сепараторы 23, 24 обеспечены для анода 26 и катода 27 через газодиффузионные слои 28, 29.
Предполагается, что в настоящем варианте осуществления для катода 27 используется углерод (С). Более конкретно, предполагается, что углерод используется, по меньшей мере, для любого из каталитического слоя и газодиффузионного слоя. Например, катод 27 может быть выполнен из платины (Pt), служащей металлом-катализатором, и углерода, который служит подложкой для металла-катализатора. Применение углерода для каталитического слоя улучшает характеристики катализатора. Газодиффузионный слой 29 также может быть выполнен из углерода. Для улучшения характеристик катализатора предпочтительно использовать углерод не только для катода 27, но и для анода 26. Однако анод 26 по настоящему варианту изобретения может быть выполнен из материала, не являющегося углеродом.
+
Когда на анод 26 подают водород, в аноде 26 возникает реакция, в результате которой происходит образование положительных ионов водорода H, как показано Уравнением (1):
2
+
-
H→2H+2e(1)
+
Образованные положительные ионы водорода Н затем движутся сквозь электролитическую мембрану 25 к катоду 27 и вступают в реакцию с кислородом, который подается на катод 27, как показано Уравнением (2):
2
2
+
-
(1/2)О+2Н+2е→НО(2)
Другими словами, между электродами происходит электрохимическая реакция, генерирующая электродвижущую силу в топливном элемента 2, как показано Уравнением (3):
2
2
2
Н+(1/2)О→НО(3)
Как показано Уравнением (3), в результате электрохимической реакции, возникающей между электродами, на стороне катода 27 происходит образование воды. Образованная вода проходит сквозь электролитическую мембрану 25 и накапливается на стороне анода 26.
Воздух, подаваемый на катод 27, содержит азот. Этот азот также проходит сквозь электролитическую мембрану 25 и накапливается на стороне анода 26.
Поэтому, когда топливный элемент работает, вода и азот постепенно накапливаются в канале 8 для отвода топливного газа. Парциальное давление водорода падает, и напряжение на топливном элементе 2 снижается.
На фиг.3 показано, как изменяются во времени электродные потенциалы на аноде и катоде и напряжение элемента топливного элемента. Как показано на фиг. 3, потенциалы, возникающие вниз по потоку после анода 26 и катода 27, со временем растут. В то же время, напряжение элемента со временем падает. Причины этого описаны ниже.
Как описано выше, когда топливный элемент 2 работает по способу тупика, в канале 8 для отвода топливного газа со временем накапливаются примеси, такие как азот и вода. Регулирующий клапан 7 давления водорода устанавливает давление водорода заранее определенного значения. Поэтому при увеличении концентрации примесей в отводимом топливном газе парциальное давление водорода относительно падает. Следовательно, вниз по потоку после анода 26 возникает регион дефицита водорода (далее именуемый локальным дефицитом водорода). Потенциал этого региона, как показано на фиг.3, растет, тем самым увеличивая потенциал региона катода 27, который обращен к этому региону. Кроме того, напряжение элемента топливного элемента 2 падает.
Например, предположим, что локальный дефицит водорода возник в элементе, включенном в топливный элемент 2. Этот элемент будет именоваться элементом с дефицитом водорода. Потенциал анода 26 растет потому, что потенциал, позволяющий азоту и кислороду существовать в форме молекул, не равен 0 (нулю), а составляет 0,6-0,7 В. Поэтому область потенциала, доступная для эффективного использования, уменьшается с уменьшением напряжения. Кроме того, также уменьшается напряжение элемента.
Уменьшенное напряжение элемента можно восстановить, открыв продувочный клапан 9, который установлен в канале 8 для отвода топливного газа для продува отводимого топливного газа. На фиг. 3 показано, что когда в моменты, обозначенные стрелками, когда открывается продувочный клапан, напряжение элемента восстанавливается до предыдущего значения. На диаграмме также показано, что возросшие потенциалы анода 26 и катода 27 уменьшаются.
В настоящем варианте осуществления соответственно можно определить момент вышеописанной продувки. Например, продувку можно осуществлять периодически, открывая продувочный клапан 9 с заранее определенными интервалами времени. Продувку также можно осуществлять, открывая клапан 9, когда разница между измеренным значением напряжения и начальным значением напряжения для конкретного условия, определенного вольтамперной характеристикой топливного элемента 2, достигнет заранее определенного значения или превысит ее.
В катоде 27 происходит электролиз воды. Если в каталитическом слое катода 27 используется углерод (С), то когда потенциал катода 27 растет, возникает реакция окисления углерода, как показано Уравнением (4):
2
2
+
-
C+2HO→СО+4Н+4е(4)
2
2
На фиг.4 показано отношение между потенциалом катода 27 и величиной окисления углерода. Вертикальная ось представляет количество образованной двуокиси углерода (СО). Как следует из Уравнения (4), количество окислившегося углерода растет с ростом количества образованного СО.
Как показано Уравнением (4), углерод окисляется, когда он вступает в реакцию с водой. В то же время, если на аноде 26 возникает локальный дефицит водорода, потенциал анода 26 и катода 27 растет. Дополнительно на катоде 27 происходит электролиз воды для компенсации дефицита водорода. Эта реакция коррелирует с потенциалом катода 27. Поэтому электролиз воды прогрессирует с ростом потенциала катода 27. Более конкретно, когда потенциал катода 27 растет, электролиз воды сокращает количество воды, которая вступает в реакцию с углеродом. Таким образом, потенциал, при котором начинается окисление углерода, начинает расти, когда ускоряется электролиз воды. Измерения, проведенные изобретателем настоящего изобретения, показали, что окисление углерода начинается при потенциале катода 1,2 В или выше, как показано на фиг. 4, когда происходит электролиз воды.
В то же время, когда открывается продувочный клапан 9 для продувки примесей, накопленных на аноде 26, вместе с примесями высвобождается водород. Поэтому если продувку проводить, когда потенциал катода 27 приблизительно равен 1,2 В или выше, окисление углерода резко прогрессирует. Во избежание такого интенсивного окисления углерода не следует проводить продувку, когда потенциал катода составляет приблизительно 1,2 В или выше. Поэтому, средство для выполнения продувки деактивируется, когда потенциал катода 27 составляет приблизительно 1,2 В или выше.
Для измерения потенциала катода 27 необходимо предусмотреть стандартный водородный электрод. В этом случае следует измерять напряжение элемента вместо измерения потенциала катода 27. Более конкретно, напряжение элемента равно разнице между потенциалом катода и потенциалом анода. Таким образом, потенциал Х катода, при котором происходит окисление углерода, и максимальное значение потенциала Y анода, который растет в случае локального дефицита водорода, заранее определены. Средство для выполнения продувки деактивировано, когда измеренное напряжение элемента не меньше значения X-Y.
Измерения, проведенные изобретателем настоящего изобретения, показали, что окисление углерода на катоде 27 происходит когда X=1,2 В и более. Дополнительно, когда возникает локальный дефицит водорода, потенциал анода 26 растет до Y=0,5 В или около того. В настоящем изобретении поэтому, предпочтительно, Х=1,1…1,3 В и, более предпочтительно, Х=1,2 В. Кроме того, предпочтительно, Y=0,45…0,55 В и, более предпочтительно, Y=0,50 В. Однако значение Y меняется, например, вместе с типом топливного газа, условиями работы системы топливного элемента, и спецификациями каталитического слоя. Поэтому в идеале значение Y соответственно оптимизируется.
Система 1 топливного элемента, показанная на фиг. 1 использует средство 11 измерения напряжения для измерения напряжения элемента. Средство 11 измерения напряжения может осуществлять мониторинг напряжений всех элементов, образующих топливный элемент 2, или индивидуально осуществлять мониторинг напряжения каждого элемента. Кроме того, средство 16 продувки включает в себя продувочный клапан 9, канал 8 и управляющее устройство 12. Управляющее устройство 12 управляет открыванием/закрыванием продувочного клапана 9. Система 1 топливного элемента также включает в себя средство 13 ограничения продувки, которое запрещает работу средства 16 продувки. Средство 13 ограничения продувки по настоящему варианту изобретения ограничивает работу средства 16 продувки. Когда работа средства 16 продувки ограничена, ограничено открытие продувочного клапана 9. Когда работа средства 16 продувки запрещена, продувочный клапан 9 полностью закрыт. Поэтому, когда срабатывает средство 13 ограничения продувки, продувочный клапан 9 ограничен очень небольшим отверстием или полностью закрыт. Предпочтительно, средство 13 ограничения продувки запрещает работу средства 16 продувки и полностью закрывает продувочный клапан 9, как описано в связи с настоящим вариантом осуществления.
Когда, например, Х=1,2 В и Y=0,5 В, необходимо предотвратить проведение продувки, когда напряжение элемента не ниже 0,7 В. Поэтому данные, измеренные средством 11 измерения напряжения, подаются на средство 13 ограничения продувки, и средство 13 ограничения продувки работает, когда измеренные данные представляют собой напряжение не ниже 0,7 В. Точнее, средство 13 ограничения продувки посылает сигнал на управляющее устройство 12 для запрета работы средства 16 продувки. Поскольку это исключает выполнение продувки, когда потенциал катода 27 составляет не ниже 1,2 В, можно подавить реакцию окисления углерода в катоде 27.
2
2
Далее, средство 13 ограничения продувки может управлять управляющей величиной средства 16 продувки в соответствии с развитием окисления углерода на стороне катода 27. Более конкретно, необходимо обеспечить уменьшение степени продувки по мере развития окисления углерода на стороне катода 27. Для этого, например, измеряют количество двуокиси углерода (СО), образуемого на стороне катода 27. Дополнительно, средством 13 ограничения продувки управляют так, что величина продувки, обеспечиваемая средством 16 продувки, уменьшается с увеличением количества образуемой СО. Это обеспечивает уменьшение величины продувки с развитием окисления углерода. Следовательно, реакцию окисления углерода на катоде 27 можно подавить.
Система 1 топливного элемента по настоящему варианту изобретения также может включать в себя средство 17 понижения напряжения, которое понижает напряжение элемента топливного элемента 2. На фиг.6 показана типичная конфигурация системы топливного элемента, включающей в себя средство 17 понижения напряжения. Элементы, подобные для фиг.1 и 6, обозначены одинаковыми ссылочными номерами и повторно не описываются. Средство 17 понижения напряжения может использоваться, например, так, чтобы ток в топливном элементе 2 устанавливался в максимальное значение допустимого тока в топливном элементе 2. Эта функция будет более подробно описана ниже со ссылками на фиг.5 и 6.
На фиг.5 показано отношения между током I и напряжением V в топливном элементе 2. Как показано на фиг. 5, напряжение V падает с ростом тока I. Максимальное значение Imax допустимого тока в топливном элементе 2 соответствует минимальному значению Vmin выходного напряжения. Поэтому, когда ток I устанавливают в максимальное значение Imax, напряжение V постепенно понижается до минимального значения Vmin. Поэтому для выбора максимально допустимого тока для топливного элемента 2 используют средство 17 понижения напряжения. Средство 17 понижения напряжения работает, когда значение напряжения элемента не менее чем значение X-Y. Это позволяет задать значение напряжение элемента определенно меньше, чем значение X-Y. Средство 13 ограничения продувки деактивируется, когда значение напряжения элемента меньше значения X-Y.
На фиг.7 показана типичная конфигурация системы топливного элемента, которая включает в себя другое средство 17 уменьшения напряжения. Подобные элементы на фиг. 1 и 7 обозначены одинаковыми ссылочными номерами и повторно не описываются. Как показано на фиг.7, это средство 17 уменьшения напряжения может использоваться так, что давление водорода, подаваемого на анод 26, устанавливается на минимальное давление, требуемое для продувки.
Напряжение элемента можно уменьшить, уменьшая давление водорода, подаваемого на анод 26. Однако для продувки давление водорода, подаваемого на анод 26, должно быть достаточным для высвобождения азота, воды и других примесей. Другими словами, продувку нельзя выполнять, если давление подаваемого водорода недостаточно для высвобождения примесей.
Таким образом, средство 17 уменьшения напряжения используется так, что давление водорода, подаваемого на анод 26, устанавливается на минимальное давление, требуемое для продувки. Средство 17 уменьшения напряжения работает, когда значение напряжения элемента не меньше значения X - Y. Напряжение элемента затем можно установить на значение, меньшее X - Y, что не повлияет на продувку. В этом случае, также, средство 13 ограничения продувки деактивируется, когда значение напряжения элемента меньше значения X-Y.
Как описано выше, когда величина напряжения элемента не меньше заранее определенного значения, система 1 топливного элемента по настоящему варианту осуществления активирует средство 13 ограничения продувки для воздержания от выполнения продувки. Это позволяет высвободить примеси, накопленные на стороне анода 26, подавив окисление углерода на стороне катода 27.
Настоящее изобретение не ограничено вышеописанным вариантом осуществления. Следует понимать, что могут быть выполнены различные изменения, не выходящие за пределы объема и сущности настоящего варианта изобретения.