СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
FUEL CELL SYSTEM

Область техники
Изобретение в общем относится к системе топливного элемента, имеющей резервуар с жидким водородом.
Уровень техники
Топливный элемент обычно представляет собой устройство получения электроэнергии из топлива, водорода и кислорода. Топливные элементы в настоящее время интенсивно разрабатываются как устройства энергоснабжения, поскольку топливные элементы имеют экологические преимущества и могут обеспечивать высокий энергетический кпд.
Существуют разработанные способы подачи водорода в топливный элемент, например способ подачи водорода из средства хранения, такого как резервуар водорода высокого давления, выполненный из сплава резервуар водорода или резервуар жидкого водорода. Жидкий водород используется в качестве водородного снабжения для топливного элемента, т.к. жидкий водород имеет высокую плотность хранения энергии и высокий коэффициент подачи в средство хранения.
Однако газ выкипания может образоваться из-за испарения жидкого водорода, если резервуар жидкого водорода нагревается снаружи. Давление в резервуаре жидкого водорода повышается, когда образуется газ выкипания. Поэтому необходимо, при необходимости, отводить газ выкипания.
Патентный Документ 1 раскрывает способ хранения газа выкипания в изобарической емкости и подачи газа выкипания из изобарической емкости в топливный элемент при пуске топливного элемента. Предусмотрено использование газа выкипания в качестве топлива топливного элемента
Патентный Документ 1: Публикация патентной заявки Японии № 2003-56799.
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Согласно способу Патентного Документа 1 применительно к системе топливного элемента необходимо обеспечить изобарическую емкость для хранения газа выкипания. Соответственно, конструкция системы топливного элемента усложняется.
Настоящее изобретение обеспечивает систему топливного элемента, которая может эффективно использовать газ выкипания и которая имеет упрощенную конструкцию.
Средства решения проблем
Система топливного элемента согласно изобретению отличается тем, что содержит средство хранения, топливный элемент, средство подачи топлива, систему циркуляции водорода и средство подачи газа выкипания. В средстве хранения хранится жидкий водород. Топливный элемент использует газообразный водород как топливный газ. Средство подачи топлива подает газообразный водород к аноду топливного элемента. Газообразный водород образуется из-за испарения жидкого водорода, хранящегося в средстве хранения. Система циркуляции водорода содержит анод топливного элемента. Средство подачи газа выкипания подает газ выкипания, образовавшийся в средстве хранения, в систему циркуляции водорода.
В системе топливного элемента согласно настоящему изобретению жидкий водород хранится в средстве хранения. Газообразный водород, образовавшийся от испарения жидкого водорода, хранящегося в средстве хранения, подается к аноду топливного элемента средством подачи топлива. Образовавшийся в средстве хранения водород, подается в систему циркуляции водорода средством подачи газа выкипания. При этом газ выкипания не нужно отводить наружу, т.к. газ выкипания поступает в систему циркуляции водорода. Поэтому нет необходимости обеспечивать такое обрабатывающее устройство, как разбавляющее устройство для разбавления отводимого газа выкипания. Соответственно конструкция топливного элемента упрощается. Топливный элемент может использовать газ выкипания в качестве топлива для выработки электроэнергии, если данный топливный элемент вырабатывает электроэнергию. Поэтому обеспечивается возможность эффективного использования газа выкипания. Если топливный элемент не вырабатывает электроэнергию, то газ выкипания можно заключить в системе циркуляции водорода. Топливный элемент может использовать газ выкипания в качестве топлива для последующей выработки электроэнергии. Поэтому обеспечивается возможность эффективного использования газа выкипания. Соответственно, обеспечивается возможность ограничить понижение энергетического кпд системы топливного элемента.
Средство подачи газа выкипания может иметь первый клапан, который подает газ выкипания в систему циркуляции водорода, когда давление газа выкипания превысит пороговое значение. В этом случае устраняется излишне высокое давление в средстве хранения. Средство подачи газа выкипания может иметь второй клапан, предотвращающий обратное течение газа выкипания в средство хранения из системы циркуляции водорода. При этом испарения и т.п. в анодном газе не будут попадать в средство хранения. Тем самым обеспечивается возможность ограничить коррозию первого клапана.
Система циркуляции водорода может иметь средство осуществления циркуляции водорода, которая обеспечивает циркуляцию водорода в системе циркуляции водорода. При этом можно регулировать количество водорода, подаваемого к аноду, средством осуществления циркуляции водорода. Положение в системе циркуляции водорода, в котором газ выкипания подается в систему циркуляции водорода из средства подачи газа выкипания, может находиться выше по потоку средства осуществления циркуляции водорода в системе циркуляции водорода и ниже по потоку анода.
Система циркуляции водорода может иметь средство отвода, расположенное выше по потоку средства осуществления циркуляции водорода и ниже по потоку анода, которое отводит газ в системе циркуляции водорода. При этом обеспечивается возможность отвода азота и др., идущего к аноду от катода. Положение в системе циркуляции водорода, в котором газ выкипания подается в систему циркуляции водорода из средства подачи газа выкипания, может находиться выше по потоку средства осуществления циркуляции водорода и ниже по потоку средства отвода. Таким образом обеспечивается возможность ограничить отвод водорода из средства отвода.
Положение в системе циркуляции водорода, в котором газ выкипания подается в систему циркуляции водорода из средства газа выкипания, может находиться посередине анода. При этом предотвращается снижение плотности водорода на выходной стороне анода. Соответственно электроэнергия будет вырабатываться, по существу, одинаково в каждом участке топливного элемента.
Система топливного элемента может содержать средство детектирования давления и средство определения давления; при этом средство детектирования детектирует давление в системе циркуляции водорода, средство определения давления определяет факт подачи газа выкипания в систему циркуляции водорода, когда значение, детектируемое средством детектирования давления, превышает пороговое значение. При этом детектируют образование газа выкипания в средстве хранения. Средство детектирования давления можно обеспечить ниже по потоку средства циркуляции водорода и выше по потоку анода.
Система топливного элемента может также иметь контроллер количества циркулирующего водорода, который регулирует количество водорода, идущего в системе циркуляции водорода. При этом обеспечивается возможность регулирования количества направляемого к аноду водорода при помощи контроллера количества циркулирующего водорода.
Средством осуществления циркуляции водорода может быть водородный насос. Контроллер количества циркулирующего водорода может регулировать частоту вращения водородного насоса, когда средство определения определит, что в систему циркуляции водорода подается газ выкипания. Причем даже если газ выкипания подается в систему циркуляции водорода, будет обеспечена возможность подачи требуемого количества водорода для выработки электроэнергии в топливном элементе к аноду путем регулирования частоты вращения водородного насоса. Контроллер количества циркулирующего водорода выполнен с возможностью управления водородным насосом для уменьшения частоты вращения водородного насоса, когда средство определения определит, что в систему циркуляции водорода подается газ выкипания. Тем самым предотвращается поступление избыточного количества водорода в топливный элемент.
Система топливного элемента может иметь средство определения неисправности, которое определяет наличие неисправности средства хранения, когда значение, детектируемое средством детектирования, превышает пороговое значение в течение времени, превышающего определенный период. При этом, когда детектируемое средством детектирования значение не превышает пороговое значение в течение заданного времени, то делается определение об отсутствии неисправности. То есть средство определения неисправности определяет кратковременность образования газа выкипания или непрерывное его образование.
Средство хранения может иметь испаряющее жидкость средство. Система топливного элемента может иметь регулятор для управления работой испаряющего жидкость средства, которое останавливает работу испаряющего жидкость средства, если средство определения неисправности определит, что средство хранения неисправно. При этом устраняется возможность испарения значительного количества жидкого водорода. За счет этого технического решения предотвращается нерациональный расход водорода.
Эффекты изобретения
Согласно настоящему изобретению устраняется необходимость в обеспечении такого обрабатывающего устройства, как устройство разбавления газа выкипания, отводимого наружу. Соответственно упрощается конструкция системы топливного элемента. Ограничивается нерациональный расход водорода. Повышается энергетический кпд системы топливного элемента.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - блок-схема общей конфигурации системы топливного элемента в соответствии с первым осуществлением изобретения.
Фиг. 2 - давление газа, детектируемое датчиком давления.
Фиг. 3 - блок-схема приводимой в качестве примера последовательности действий контроллера при поступлении газа выкипания в трубу.
Фиг. 4 - блок-схема общей конфигурации системы топливного элемента в соответствии со вторым осуществлением изобретения.
Оптимальные осуществления изобретения
Первый вариант
Фиг. 1 показывает блок-схему общей конфигурации системы 100 топливного элемента согласно первому варианту. Согласно Фиг. 1 система 100 топливного элемента имеет воздушный насос 1, увлажняющее устройство 2, топливный элемент 3, нагнетательные клапаны 4 и 8, разбавляющее устройство 5, резервуар 6 жидкого водорода, главный клапан 7, водородный насос 9, датчики 10 и 11 давления, клапан 12 отвода водорода, обратный клапан 13, предохранительный клапан 14, нагреватель 15 и контроллер 20. Топливный элемент 3 имеет катод 3а и анод 3b.
Воздушный насос 1 соединен со входом катода 3а топливного элемента 3 по трубе 101. Труба 101 проходит через увлажняющее устройство 2. Выход катода 3а связан с разбавляющим устройством 5 по трубе 102. Труба 102 проходит через нагнетательный клапан 4.
Нагреватель 15 установлен в резервуаре 6 жидкого водорода. Резервуар 6 жидкого водорода соединен со входом анода 3b топливного элемента 3 по трубам 103 и 104. Труба 103 проходит через главный клапан 7 и нагнетательный клапан 8 от стороны резервуара 6 жидкого водорода. Первый конец трубы 104 соединен с трубой 103. Второй конец трубы 104 соединен со входом анода 3b. Выход анода 3b соединен с трубой 104 по трубе 105.
Труба 105 проходит через водородный насос 9. В трубе 105 датчик 10 давления установлен между водородным насосом 9 и выходом анода 3b, и датчик 11 давления установлен между водородным насосом 9 и трубой 104. Труба 107 соединяет середину трубы 105 и разбавляющее устройство 5. Труба 105 соединена с трубой 107 в точке между выходом анода 3b и датчиком 10 давления. Труба 107 проходит через клапан 12 отвода водорода. Разбавляющее устройство 5 имеет выход наружу.
Резервуар 6 жидкого водорода также соединен с серединой трубы 105 через трубу 106. Труба 106 проходит через предохранительный клапан 14 и обратный клапан 13 от стороны резервуара 6 жидкого водорода. Труба 105 соединена с трубой 106 между датчиком давления 10 и водородным насосом 9.
Контроллер 20 имеет центральный процессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и т.п. Контроллер 20 принимает результаты детектирования от датчиков 10 и 11 давления и управляет работой воздушного насоса 1, увлажняющего устройства 2, нагнетательных клапанов 4 и 8, главного клапана 7, водородного насоса 9, клапана 12 отвода водорода и нагревателя 15.
Далее излагается описание работы системы 100 топливного элемента. Воздушный насос 1 принимает команду от контроллера 20 и подает требуемое количество воздуха в увлажняющее устройство 2 по трубе 101. Увлажняющее устройство 2 принимает команду от контроллера 20 и регулирует влажность воздуха. Воздух, влажность которого отрегулирована увлажняющим устройством 2, подается к катоду 3а по трубе 101.
В топливном элементе 3 вырабатываются вода и электроэнергия из протонов, преобразуемых анодом 3b, согласно приводимому ниже пояснению, и кислород в составе воздуха, который подается на катод 3а. Образуемая таким образом вода испаряется от тепла реакции протонов и кислорода. Образуемый на катоде 3а пар и воздух, не реагирующий с протонами, поступают в разбавляющее устройство 5 по трубе 102 в качестве катодного газа. Нагнетательный клапан 4 принимает команду от контроллера 20 и регулирует давление катодного газа, поступающего в разбавляющее устройство 5 от катода 3а.
Резервуар 6 жидкого водорода покрыт теплоизолирующим материалом и хранит жидкий водород как топливо для топливного элемента 3. Нагреватель 15 принимает команду от контроллера 20 и регулирует температуру резервуара 6 жидкого водорода. Поэтому соответствующее количество жидкого водорода испаряется. Водород, испарившийся в резервуаре 6 жидкого водорода, поступает к аноду 3b по трубам 103 и 104. Главный клапан 7 принимает команду от контроллера 20 и открывает трубу 103. Таким образом, контроллер 20 может регулировать подачу водорода, испарившегося в резервуаре 6 жидкого водорода, к аноду 3b. Нагнетательный клапан 8 принимает команду от контроллера 20 и регулирует давление водорода, поступающего к аноду 3b из резервуара 6 жидкого водорода. Таким образом, контроллер 20 может регулировать количество водорода, подаваемого к аноду 3b из резервуара 6 жидкого водорода.
На аноде 3b водород преобразуется в протоны. Водород, не преобразуемый в протоны, поступает в водородный насос 9 по трубе 105 как анодный газ. Водородный насос 9 является спиральным насосом или винтовым насосом и подает анодный газ к аноду 3b по трубам 105 и 104. Датчик 10 давления детектирует давление анодного газа, идущего по трубе 105, и выдает результат детектирования контроллеру 20. Датчик 11 давления детектирует давление анодного газа, сжимаемого водородным насосом 9, и выдает результат детектирования контроллеру 20.
Клапан 12 отвода водорода принимает команду от контроллера 20 и открывает и закрывает трубу 107. Таким образом, контроллер 20 регулирует отвод анодного газа, идущего в трубе 105 в разбавляющее устройство 5. При этом обеспечивается возможность отвода азота и пр., идущего к аноду 3b от катода 3а. Разбавляющее устройство 5 окисляет катодный газ от катода 3а и анодный газ от анода 3b и отводит окисленный газ из системы 100 топливного элемента наружу.
Предохранительный клапан 14 подает водород в резервуар 6 жидкого водорода в трубу 106 как газ выкипания или газ, выделяющийся при кипении, когда давление в резервуаре 6 жидкого водорода превышает заданное значение. Таким образом, устраняется возможность чрезмерного повышения давления в резервуаре 6 жидкого водорода. Водород, поступивший в трубу 106, подается в трубу 105. Обратный клапан 13 пропускает течение водорода в трубу 105 из резервуара 6 жидкого водорода и препятствует течению водорода в резервуар 6 жидкого водорода из трубы 105. Поэтому обеспечивается возможность предотвращения коррозии предохранительного клапана 14, вызываемой паром и пр. в анодном газе.
Снижение температуры топливного элемента 3, обусловливаемое газом выкипания, исключено, т.к. газ выкипания поступает к аноду 3b по трубам 105 и 104. Поэтому система 100 топливного элемента согласно этому осуществлению более эффективна, когда топливный элемент 3 вырабатывает электроэнергию.
В системе 100 топливного элемента согласно этому варианту осуществления изобретения трубы 105 и 104 и анод 3b образуют герметизированное пространство. За счет этого устраняется необходимость отвода газа выкипания наружу. Поэтому отсутствует необходимость в обеспечении еще одного обрабатывающего устройства, такого как разбавляющее устройство для газа выкипания, отводимого наружу. Соответственно конструкция системы 100 топливного элемента упрощается. Объем герметизированного пространства, образуемого трубами 104 и 105 и анодом 3b, можно определить заданным значением при проектировании системы и в этом варианте этот объем приблизительно равен 3-4 л.
Топливный элемент 3 может использовать газ выкипания для топлива в целях выработки электроэнергии, если топливный элемент 3 вырабатывает электроэнергию. В этом случае контроллер 20 регулирует водородный насос 9 для уменьшения частоты вращения водородного насоса 9. Таким образом, обеспечивается возможность исключить нерациональную работу водородного насоса 9 и лишний расход жидкого водорода. Соответственно повышается энергетический кпд системы 100 топливного элемента. Дополнительные подробности излагаются ниже.
Обеспечивается возможность удерживания газа выкипания в герметизированном пространстве, образуемом трубами 104 и 105 и анодом 3b, когда топливный элемент 3 не вырабатывает электроэнергию. Причем топливный элемент 3 может использовать газ выкипания как топливо при последующей выработке электроэнергии. Поэтому обеспечена возможность устранения лишнего расхода водорода. Соответственно обеспечена возможность ограничить снижение энергетического кпд системы 100 топливного элемента.
Обеспечена возможность регулирования количества водорода, подаваемого к аноду 3b, путем регулирования частоты вращения водородного насоса 9, поскольку газ выкипания подается в трубу 105 выше по потоку водородного насоса 9.
В этом осуществлении водородный насос 9 подает анодный газ к аноду 3b. Вместо водородного насоса 9 можно предусмотреть другие подающие средства, такие как регулируемый эжектор. Топливный элемент 3 не ограничивается этим осуществлением, согласно которому топливный элемент 3 использует газообразный водород в качестве топливного газа. В трубе 106 до обратного клапана 13 можно предусмотреть еще один датчик давления, который будет детектировать поступление газа выкипания.
Согласно этому варианту осуществления датчик давления 11 детектирует поступление газа выкипания в трубу 106. Поступление газа выкипания в трубу 106 можно детектировать расходомером. В этом случае расходомер можно установить выше по течению обратного клапана 13 в трубе 106, либо расходомер можно установить вместо датчика 11 давления. Поступление газа выкипания в трубу 106 можно детектировать расходомером.
Ниже приводится описание давления газа, идущего по трубе 105. Фиг. 2 показывает давление газа, детектируемое датчиком 11 давления. Вертикальная ось на чертеже Фиг. 2 показывает давление газа, детектируемое датчиком 11 давления. Горизонтальная ось на чертеже Фиг. 2 показывает частоту вращения водородного насоса 9.
Показано сплошной линией Х на чертеже Фиг. 2: давление газа в трубе 105 возрастает с увеличением частоты вращения водородного насоса 9. Сплошная линия Х указывает теоретическое значение, вычисленное из количества водорода, нужного для выработки электроэнергии топливным элементом 3, и частоту вращения водородного насоса 9. Соответственно частота вращения водородного насоса 9 пропорциональна давлению газа в трубе 105: сплошная линия Х. Показано точечной линией Y на чертеже Фиг. 2: давление газа в трубе 105 понизилось из-за снижения индикаторного кпд водородного насоса 9 и т.п. Точечная линия Z на чертеже Фиг. 2 указывает максимум давления газа в трубе 105 по отношению к частоте вращения водородного насоса 9, вычисленный с учетом снижения индикаторного кпд водородного насоса 9. Поэтому газ выкипания идет в трубу 105, когда давление газа, детектируемое датчиком 11 давления, превышает точечную линию Z. Соответственно обеспечена возможность детектирования поступления газа выкипания в трубу 105 в соответствии с точечной линией Z на чертеже Фиг. 2.
Далее приводится описание работы контроллера 20, когда газ выкипания подается в трубу 105. Фиг. 3 показывает блок-схему приводимой в качестве примера последовательности регулирующих действий контроллера 20, когда газ выкипания подается в трубу 105. Контроллер 20 повторяет работу через заданный интервал времени (например, равный нескольким миллисекундам).
Согласно Фиг. 3 контроллер 20 определяет, превысило ли давление газа в трубе 105 значение заданного давления (этап S1). В частности, контроллер 20 может это определить по результату детектирования, выполненного датчиком 11 давления, и по точечной линии Z, показываемой на чертеже Фиг. 2.
Если определено, что давление газа в трубе 105 превышает заданное давление на этапе S1, то контроллер 20 регулирует водородный насос 9 на уменьшение частоты вращения водородного насоса 9 (этап S2). Затем контроллер 20 ждет некоторое время, например пять секунд (этап S3). Затем контроллер 20 определяет, превышает ли давление газа в трубе 105 заданное давление (этап S4). В частности, контроллер 20 может выполнить это определение по результату детектирования, выполненного датчиком 11 давления, и по точечной линии Z на чертеже Фиг. 2.
Если определено, что давление газа в трубе 105 превышает заданное давление на этапе S4, то контроллер 20 прекращает электропитание для нагревателя 15 (этап S5). После этого контроллер 20 начинает последовательность с этапа S1.
Если не определено, что давление газа в трубе 105 превышает заданное давление на этапе S4, то контроллер 20 регулирует водородный насос 9, чтобы тот вращался с обычной частотой (этап S6). После этого контроллер 20 начинает последовательность с этапа S1.
Если не определено, что давление газа в трубе 105 превышает заданное давление на этапе S1, то контроллер 20 начинает последовательность с этапа S1.
Как упомянуто выше, согласно упомянутой блок-схеме определяют, идет ли газ выкипания в трубу 105. Если газ выкипания идет в трубу 105, то излишнее поступление водорода в топливный элемент 3 ограничивают путем уменьшения частоты вращения водородного насоса 9. Тем самым исключается лишний расход водорода и предотвращается излишняя работа водородного насоса 9. Соответственно повышается кпд системы 100 топливного элемента.
Также определяют, образуется ли газ выкипания кратковременно или непрерывно, по определению факта течения/отсутствия течения газа выкипания в трубе 105 в течение времени свыше заданного периода времени. Тем самым быстро обнаруживается неисправность нагревателя 15. За счет этого предотвращается излишнее испарение жидкого водорода. Предотвращается нерациональное расходование водорода.
Если газ выкипания не поступает в трубу 105 в течение срока, больше заданного, то водородный насос 9 вращается с обычной частотой, без прекращения работы нагревателя 15. Топливный элемент 3 продолжает стабильную выработку электроэнергии.
Излагаемый выше вариант осуществления изобретения включает в себя, помимо прочего, этап определения неисправности нагревателя 15, когда определено, что давление газа в трубе 105 превышает заданное давление на этапе S4. Например, можно определить, что произошло нарушение теплоизоляции в резервуаре 6 жидкого водорода, и можно определить неисправность предохранительного клапана 14.
В этом варианте осуществления изобретения резервуар 6 жидкого водорода соответствует средству хранения. Главный клапан 7 соответствует средству подачи топлива. Трубы 104 и 105 и анод 3b соответствуют системе циркуляции водорода. Предохранительный клапан 14 соответствует средству подачи газа выкипания. Водородный насос 9 соответствует средству циркуляции водорода. Контроллер 20 соответствует контроллеру количества циркулирующего водорода, средству определения, средству определения неисправности и контроллеру. Датчик 11 давления соответствует средству детектирования давления. Нагреватель 15 соответствует испаряющему жидкость средству. Предохранительный клапан 14 соответствует первому клапану. Обратный клапан 13 соответствует второму клапану. Клапан 12 отвода водорода соответствует средству отвода.
Второй вариант
Фиг. 4 показывает блок-схему общей конфигурации системы 100а топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. В системе 100а топливного элемента труба 106 не соединена с трубой 105, но соединена с серединой анода 3b, в отличие от системы 100 топливного элемента согласно Фиг. 1.
Водород, подаваемый к аноду 3b, используется для выработки электроэнергии при поступлении водорода к аноду 3b. Плотность водорода уменьшается вблизи выхода анода 3b. Соответственно электроэнергия вырабатывается в топливном элементе 3 неравномерно.
Согласно этому осуществлению газ выкипания направляют к середине анода 3b. Уменьшение плотности водорода ограничивают на выходной стороне анода 3. Соответственно электроэнергия вырабатывается, по существу, равномерно в каждом участке топливного элемента 3. Положение соединения трубы 106 и анода 3b не ограничивается соединением трубы 106 в середине анода 3b.
Согласно этому осуществлению изобретения в системе 100а топливного элемента отвод газа выкипания наружу устранен. Поэтому устранена необходимость обеспечения еще одного обрабатывающего устройства, такого как разбавляющее устройство для газа выкипания, отводимого наружу. Соответственно упрощена конструкция системы 100а топливного элемента. Обеспечена возможность заключить газ выкипания в герметизированном пространстве, образованном трубами 104 и 105 и анодом 3b, когда топливный элемент 3 не вырабатывает электроэнергию. Топливный элемент 3 может использовать газ выкипания в качестве топлива в последующей выработке электроэнергии. Поэтому обеспечена возможность предотвратить потери водорода. Соответственно обеспечена возможность ограничить снижение энергетического кпд системы 100 топливного элемента.