RU2286622C2 - Fuel cell using licensed solid electrolyte - Google Patents
Fuel cell using licensed solid electrolyte Download PDFInfo
- Publication number
- RU2286622C2 RU2286622C2 RU2003111767/09A RU2003111767A RU2286622C2 RU 2286622 C2 RU2286622 C2 RU 2286622C2 RU 2003111767/09 A RU2003111767/09 A RU 2003111767/09A RU 2003111767 A RU2003111767 A RU 2003111767A RU 2286622 C2 RU2286622 C2 RU 2286622C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel cell
- fuel
- gas
- cell according
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к топливному элементу с твердым полимерным электролитом, способному функционировать с протеканием электрохимической реакции между газообразным водородом на стороне топливного электрода и газообразным кислородом на стороне окислительного электрода через мембрану из твердого полимерного электролита таким образом, чтобы генерировать электрическую энергию.The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell capable of functioning through an electrochemical reaction between hydrogen gas on the side of the fuel electrode and oxygen gas on the side of the oxidation electrode through a membrane of a solid polymer electrolyte so as to generate electrical energy.
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
Топливный элемент предназначен для протекания электрохимической реакции между топливом, таким как газообразный водород, и окислителем, таким как воздух (газообразный кислород), с преобразованием химической энергии топлива непосредственно в электрическую энергию. Среди различных топливных элементов топливный элемент с твердым полимерным электролитом имеет превосходные характеристики, такие как высокая удельная мощность, конструкционная простота и относительно низкая рабочая температура, и поэтому их техническая разработка значительно продвинулась вперед.A fuel cell is designed to conduct an electrochemical reaction between a fuel, such as hydrogen gas, and an oxidizing agent, such as air (oxygen gas), with the conversion of the chemical energy of the fuel directly into electrical energy. Among the various fuel cells, a solid polymer electrolyte fuel cell has excellent characteristics such as high power density, structural simplicity and relatively low operating temperature, and therefore their technical development has advanced significantly.
На фиг.21 показан один пример используемых на земле традиционных топливных элементов с твердым полимерным электролитом. Указанный топливный элемент с твердым полимерным электролитом содержит батарею топливных элементов, включающих в себя мембрану 1 из твердого полимерного электролита, топливный и окислительный электроды 2 и 3, расположенные сэндвичеобразно с мембраной 1 из твердого полимерного электролита между ними, впуск 5 водорода, предусмотренный на верхней стороне топливного электрода 2, и впуск воздуха (газообразного кислорода) 6, предусмотренный на верхней стороне окислительного электрода 3. В топливном элементе с твердым полимерным электролитом влага или вода являются очень важными для обеспечения возможности движения ионов водорода в мембране 1 из твердого полимерного электролита. По этой причине с впуском 5 водорода и впуском 6 воздуха соединяют соответственно увлажнители 7, 8 для того, чтобы предотвратить высыхание мембраны 1 из твердого полимерного электролита. Топливный элемент дополнительно включает в себя выпуск 9 водорода, предусмотренный на нижней стороне топливного электрода 2, и выпуск 10 воздуха (газообразного кислорода), предусмотренный на нижней стороне окислительного электрода 3.21 shows one example of conventional solid polymer electrolyte fuel cells used on earth. The specified solid polymer electrolyte fuel cell contains a battery of fuel cells including a solid
Газообразный водород, полученный путем риформинга углеводородсодержащего топлива, такого как метанол, бензин или газообразный метан, вводят в увлажнитель 7 на стороне топливного электрода 2, а воздух, сжатый до заданного давления компрессором (не показан), вводят в увлажнитель 8 на стороне окислительного электрода 3. Газообразный водород и воздух увлажняют увлажнителями 7, 8 и затем подают к сторонам топливного электрода 2 и окислительного электрода 3 через впуск 5 водорода и впуск 6 воздуха соответственно. Водород и воздух, поданные к сторонам топливного электрода 2 и окислительного электрода 3, претерпевают электрохимическую реакцию между собой с генерированием электроэнергии при прохождении параллельно друг другу вдоль мембраны 1 из твердого полимерного электролита и затем выходят из батареи 4 топливных элементов соответственно через выпуск 9 водорода и выпуск 10 воздуха.Hydrogen gas obtained by reforming a hydrocarbon-containing fuel such as methanol, gasoline or methane gas is introduced into a
Имеется другой пример традиционных топливных элементов с твердым полимерным электролитом, которые использовались в 60-х годах для "Джемини". В этом топливном элементе с твердым полимерным электролитом используется твердый полимер на основе стирола в качестве электролита, чистый газообразный водород - в качестве топлива и чистый газообразный кислород - в качестве окислителя. В данном случае предусмотрен абсорбирующий фитиль, смежный с электродами, для поглощения и удаления любой воды, образовавшейся в топливном элементе в ходе реакции между чистым водородом и чистым кислородом, и для естественного испарения абсорбированной воды с тем, чтобы увлажнять внутреннюю часть батареи топливных элементов.There is another example of traditional solid polymer electrolyte fuel cells that were used in the 1960s for Gemini. This solid polymer electrolyte fuel cell uses a styrene-based solid polymer as an electrolyte, pure hydrogen gas as a fuel, and pure oxygen gas as an oxidizing agent. In this case, an absorbent wick adjacent to the electrodes is provided for absorbing and removing any water formed in the fuel cell during the reaction between pure hydrogen and pure oxygen, and for naturally evaporating the absorbed water in order to moisten the inside of the fuel cell battery.
Как сообщалось Американским институтом аэронавтики и астронавтики (AIAA) в 1999 г., топливный элемент с твердым полимерным электролитом используется в ULDB (Аэростате с ультрадлительной надежностью) в качестве аэронавтического плана НАСА для Проекта стратосферной станции. Хотя в указанном топливном элементе также используется чистый газообразный водород в качестве топлива и чистый газообразный кислород в качестве окислителя, для упрощения системы никакой увлажнитель не используется, а батарея топливных элементов расположена с наклоном, что позволяет любой воде, образовавшейся в батарее топливных элементов, вытекать из батареи топливных элементов без регенерации.As reported by the American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) in 1999, a solid polymer electrolyte fuel cell is used in the ULDB (Ultra-Durable Reliability Balloon) as NASA's aeronautical plan for the Stratospheric Station Project. Although the specified fuel cell also uses pure gaseous hydrogen as fuel and pure gaseous oxygen as the oxidizing agent, no humidifier is used to simplify the system, and the fuel cell battery is tilted, which allows any water formed in the fuel cell battery to flow out fuel cell batteries without regeneration.
В первом традиционном примере, показанном на фиг.21, в качестве источника газообразного кислорода используется воздух. Таким образом, если непрореагировавший газообразный воздух рециркулируют в батарею 4 топливных элементов, газообразный азот, являясь инертным газом, присутствующим в воздухе, будет накапливаться в батарее 4 топливных элементов, что приводит к сниженному парциальному давлению кислорода и значительно ухудшенным характеристикам топливного элемента. По этой причине трудно рециркулировать любой непрореагировавший газ в батарее 4 топливных элементов и обеспечить улучшенный коэффициент использования кислорода. Кроме того, в такой батарее 4 топливных элементов также трудно рециркулировать непрореагировавшее газообразное топливо, потому что рециркуляция непрореагировавшего газа вызывает накапливание CO2 и/или непреобразованного топлива в батарее 4 топливных элементов, приводящее к ухудшенным характеристикам топливного элемента.In the first conventional example shown in FIG. 21, air is used as a source of gaseous oxygen. Thus, if unreacted gaseous air is recycled to the
Кроме того, когда в качестве газа на стороне окислительного электрода 3 используют воздух, содержание кислорода в воздухе составляет примерно 21%, и, соответственно, в топливный элемент подается примерно 79% азота. Таким образом, азот, являясь инертным газом, все время циркулируется в батарее 4 топливных элементов, и содержание водяного пара увеличивается только до 34,7% при 100% использовании кислорода из-за присутствия азота. Когда топливный элемент работает при 50% степени использования кислорода в воздухе при нормальном давлении, требуется регулировать его рабочую температуру на уровне, равном или меньшем 59°С, и поэтому допустимый интервал рабочей температуры будет нежелательно сужен.In addition, when air is used as the gas on the side of the oxidizing
Вследствие неизбежности выпуска воздуха наружу, вода, образовавшаяся в батарее 4 топливных элементов, выходит из батареи 4 топливных элементов вместе с воздухом. Таким образом, мембрана из твердого полимерного электролита, особенно вблизи впуска воздуха, может высыхать и иметь нежелательно сниженную площадь участия в реакции. По этой причине требуется предусмотреть увлажнитель 7, 8 в обоих или в одном из впуска 5 водорода и впуска 6 воздуха, что приводит к трудностям снижения размера и/или снижения массы топливного элемента.Due to the inevitability of the release of air to the outside, the water generated in the
С другой стороны, последний традиционный пример в ULDB приспособлен для обеспечения возможности вытекания воды, образовавшейся в батарее топливных элементов, из этой батареи топливных элементов под действием силы тяжести. Таким образом, образовавшаяся вода удаляется в зависимости от скорости падения, что приводит к низкой применимости для генерирования высокой мощности. Кроме того, внутренняя часть батареи топливных элементов увлажняется за счет естественного испарения воды, абсорбированной фитилем, без какого-либо регулирования влажности в батарее топливных элементов. Кроме того, удаленная вода непосредственно выводится наружу без регенерирования.On the other hand, the last traditional example in ULDB is adapted to allow the flow of water formed in the fuel cell battery from this fuel cell battery under the influence of gravity. Thus, the resulting water is removed depending on the rate of fall, which leads to low applicability for generating high power. In addition, the inside of the fuel cell battery is moistened by the natural evaporation of the water absorbed by the wick, without any regulation of humidity in the fuel cell battery. In addition, the removed water is directly discharged without regeneration.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Принимая во внимание вышеуказанные проблемы, целью настоящего изобретения является создание топливного элемента с твердым полимерным электролитом, способного обеспечить улучшение характеристик топливного элемента и эффективности использования газов на соответствующих сторонах топливного и окислительного электродов при исключении необходимости какого-либо увлажнителя, а также снизить его размер, массу и эксплуатационные расходы, с улучшенной применимостью к генерированию высокой мощности.Taking into account the above problems, the aim of the present invention is to provide a fuel cell with a solid polymer electrolyte capable of improving the characteristics of the fuel cell and the efficiency of the use of gases on the respective sides of the fuel and oxidation electrodes while eliminating the need for any humidifier, as well as reducing its size, weight and operating costs, with improved applicability to high power generation.
Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предусматривает топливный элемент с твердым полимерным электролитом, содержащий батарею топливных элементов, образованную путем многослойного расположения множества отдельных топливных элементов, каждый из которых включает в себя топливный электрод, окислительный электрод и мембрану из твердого полимерного электролита, расположенную между указанными топливным и окислительным электродами, причем каждый отдельный топливный элемент в ходе работы генерирует электроэнергию посредством электрохимической реакции между чистым газообразным водородом, подаваемым к стороне указанного топливного электрода, и чистым газообразным кислородом, подаваемым к стороне указанного окислительного электрода, при этом как газообразный водород, так и газообразный кислород подаются из соответствующих их источников без увлажнения, и при этом указанный газообразный водород, подаваемый к стороне указанного топливного электрода, и указанный газообразный кислород, подаваемый к стороне указанного окислительного электрода, протекают в указанной батарее топливных элементов в противоположных направлениях, так что вода, образовавшаяся на стороне окислительного электрода, обратимо движется между указанными топливным и окислительным электродами для увеличения зоны удерживания воды в указанной мембране из твердого полимерного электролита.To achieve the above objectives, the present invention provides a solid polymer electrolyte fuel cell comprising a fuel cell stack formed by layering multiple individual fuel cells, each of which includes a fuel electrode, an oxidizing electrode and a solid polymer electrolyte membrane located between said fuel cells and oxidizing electrodes, with each individual fuel cell generating electricity during operation by means of an electrochemical reaction between pure gaseous hydrogen supplied to the side of said fuel electrode and pure gaseous oxygen supplied to the side of said oxidizing electrode, wherein both gaseous hydrogen and gaseous oxygen are supplied from their respective sources without humidification, and wherein said gaseous hydrogen supplied to the side of said fuel electrode and said gaseous oxygen supplied to the side of said oxidizing electrode leaked dissolved in said fuel cell stack in opposite directions, so that the water formed on the side of oxidizing electrode reversibly moved between said fuel and oxidizing electrodes to increase retention of water in said zone of the membrane of the solid polymer electrolyte.
В первом предпочтительном варианте настоящего изобретения вышеуказанный топливный элемент может включать в себя контур подачи газа для подачи газообразного кислорода к стороне окислительного электрода и выпуск газа для выпуска по меньшей мере газообразного кислорода со стороны окислительного электрода. В таком случае выпуск газа соединен со вторым контуром подачи газа так, чтобы образовать замкнутый циркуляционный контур, и в этом замкнутом циркуляционном контуре предусмотрен конденсатор. Альтернативно, топливный элемент может включать в себя впуск газообразного кислорода для подачи газообразного кислорода из источника газообразного кислорода к стороне окислительного электрода и контур выпуска газа для выпуска по меньшей мере газообразного кислорода со стороны окислительного электрода. В этом случае контур выпуска газа и источник газообразного кислорода соединены с конденсатором, и при этом выход конденсатора соединен с впуском газообразного кислорода так, чтобы образовать замкнутый циркуляционный контур. В вышеуказанном варианте замкнутый циркуляционный контур может не предусматриваться на стороне топливного электрода. В таком случае выпуск газа, предусмотренный на стороне топливного электрода, является закрытым.In a first preferred embodiment of the present invention, the aforementioned fuel cell may include a gas supply circuit for supplying gaseous oxygen to the side of the oxidizing electrode and a gas outlet for discharging at least gaseous oxygen from the side of the oxidizing electrode. In this case, the gas outlet is connected to the second gas supply circuit so as to form a closed circulation circuit, and a capacitor is provided in this closed circulation circuit. Alternatively, the fuel cell may include an oxygen gas inlet for supplying oxygen gas from the oxygen gas source to the side of the oxidizing electrode and a gas discharge circuit for discharging at least oxygen gas from the oxidizing electrode side. In this case, the gas outlet circuit and the source of gaseous oxygen are connected to the capacitor, and the output of the capacitor is connected to the inlet of the gaseous oxygen so as to form a closed circulation circuit. In the above embodiment, a closed circulation loop may not be provided on the side of the fuel electrode. In this case, the gas outlet provided on the side of the fuel electrode is closed.
Во втором предпочтительном варианте настоящего изобретения газообразным водородом, подаваемым к стороне топливного электрода, может быть чистый газообразный водород, а вторым газом, подаваемым на сторону окислительного электрода, может быть чистый газообразный кислород.In a second preferred embodiment of the present invention, the hydrogen gas supplied to the side of the fuel electrode may be pure hydrogen gas, and the second gas supplied to the side of the oxidation electrode may be pure oxygen gas.
Топливный элемент согласно первому варианту может включать в себя материал для содержания конденсированной воды, сконденсированной конденсатором, или может включать в себя средство регулирования температуры для регулирования охлаждающей среды конденсатора в интервале температур от -30°С до +10°С относительно рабочей температуры топливного элемента, или может включать в себя средство регулирования объема потока для регулирования объема газа, циркулирующего в замкнутом циркуляционном контуре, таким образом, чтобы он был от 2 до 10 раз больше, чем теоретический объем газа, требуемый для электрохимического генерирования электроэнергии.The fuel cell according to the first embodiment may include material for containing condensed water condensed by the condenser, or may include temperature control means for controlling the cooling medium of the condenser in a temperature range from -30 ° C to + 10 ° C relative to the operating temperature of the fuel cell, or may include means for regulating the volume of the stream to regulate the volume of gas circulating in a closed circulation circuit so that it is 2 to 10 times larger earlier than the theoretical volume of gas required for the electrochemical generation of electricity.
В третьем предпочтительном варианте настоящего изобретения мембрана из твердого полимерного электролита может иметь толщину 10-50 мкм.In a third preferred embodiment of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane may have a thickness of 10-50 microns.
Топливный элемент согласно первому варианту может включать в себя материал для содержания конденсированной воды, сконденсированной конденсатором, и это средство содержания включает в себя средство абсорбирования конденсированной воды. Кроме того, конденсатор может включать в себя контур для обеспечения возможности плавного (равномерного) прохода циркулирующего газа в замкнутом циркуляционном контуре через конденсатор при контактировании с абсорбирующим материалом. Конденсатор может включать в себя охлаждающее устройство для охлаждения циркулирующего газа в замкнутом циркуляционном контуре. В данном случае охлаждающее устройство предусмотрено отдельно от содержащего материала, и содержащий материал способен содержать конденсированную воду, конденсируемую охлаждающим устройством. Конденсатор может включать в себя контур выведения конденсированной воды для сжатия абсорбирующего материала и для принудительного вывода конденсированной воды, абсорбированной абсорбирующим материалом, из конденсатора. Абсорбирующий материал может быть способен возвращаться в его первоначальное состояние после сжатия, и контур выведения конденсированной воды может иметь рабочий цикл, регулируемый в соответствии с емкостью по воде (влагоемкостью) содержащего материала, числом отдельных топливных элементов в батарее топливных элементов и количеством генерируемого электричества.The fuel cell according to the first embodiment may include a material for containing condensed water condensed by a condenser, and this containment means includes means for absorbing condensed water. In addition, the capacitor may include a circuit to allow a smooth (uniform) passage of the circulating gas in a closed circulation circuit through the capacitor when in contact with absorbent material. The condenser may include a cooling device for cooling the circulating gas in a closed circulation circuit. In this case, the cooling device is provided separately from the containing material, and the containing material is capable of containing condensed water condensed by the cooling device. The condenser may include a condensate water discharge circuit for compressing the absorbent material and for forcing the condensed water absorbed by the absorbent material to be forced out of the condenser. The absorbent material may be able to return to its original state after compression, and the condensed water discharge circuit may have a duty cycle controlled in accordance with the water capacity (moisture capacity) of the containing material, the number of individual fuel cells in the fuel cell battery, and the amount of electricity generated.
Кроме того, большое число конденсаторов может быть предусмотрено параллельно друг другу.In addition, a large number of capacitors can be provided in parallel to each other.
Кроме того, замкнутый циркуляционный контур может включать в себя обводной контур, обходящий конденсатор.In addition, the closed circulation circuit may include a bypass circuit bypassing the capacitor.
В вышеуказанном топливном элементе согласно настоящему изобретению газообразный водород, подаваемый к стороне топливного электрода, и газообразный кислород, подаваемый к стороне окислительного электрода, текут в батарее топливных элементов в противоположных направлениях, так что вода обратимо течет между топливным и окислительным электродами через мембрану из твердого полимерного электролита. Таким образом, без обеспечения какого-либо увлажнителя зона удерживания воды в мембране из твердого полимерного электролита (далее «электролитной мембране») увеличивается с получением улучшенных характеристик топливного элемента.In the above fuel cell according to the present invention, hydrogen gas supplied to the side of the fuel electrode and oxygen gas supplied to the side of the oxidizing electrode flow in opposite directions in the fuel cell stack, so that water reversibly flows between the fuel and oxidizing electrodes through a solid polymer membrane electrolyte. Thus, without providing any humidifier, the water retention zone in the solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as the "electrolyte membrane") is increased to obtain improved fuel cell characteristics.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 представлена схема топливного элемента с твердым полимерным электролитом согласно первому варианту настоящего изобретения;1 is a diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention;
на фиг.2(а) представлен вид спереди сепаратора топливного элемента согласно первому варианту;2 (a) is a front view of a fuel cell separator according to a first embodiment;
на фиг.2(b) представлен вид сзади сепаратора с фиг.2(а);figure 2 (b) presents a rear view of the separator of figure 2 (a);
на фиг.3 представлена пояснительная диаграмма, показывающая модель движения воды в батарее топливных элементов предложенного топливного элемента согласно первому варианту;figure 3 presents an explanatory diagram showing a model of the movement of water in the fuel cell battery of the proposed fuel cell according to the first embodiment;
на фиг.4 представлена пояснительная диаграмма, показывающая параллельное течение газов в традиционном топливном элементе с твердым полимерным электролитом, в котором газообразные кислород и водород текут в параллельных направлениях через батарею топливных элементов;4 is an explanatory diagram showing a parallel gas flow in a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, in which gaseous oxygen and hydrogen flow in parallel directions through a fuel cell stack;
на фиг.5 представлена пояснительная диаграмма, показывающая противоположное течение газов в топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно первому варианту, в котором газообразные кислород и водород текут в противоположных направлениях через батарею топливных элементов;5 is an explanatory diagram showing the opposite gas flow in a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment, in which gaseous oxygen and hydrogen flow in opposite directions through a fuel cell stack;
на фиг.6 представлен график, показывающий соответствующие вольт-амперные характеристики при различных потоках газа;Fig.6 is a graph showing the corresponding current-voltage characteristics at various gas flows;
на фиг.7(а) представлен вид спереди сепаратора для противоположного течения газов в топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно первому варианту;Fig. 7 (a) is a front view of a separator for opposing gas flow in a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment;
на фиг.7(b) представлен вид сзади сепаратора с фиг.7(а);Fig. 7 (b) is a rear view of the separator of Fig. 7 (a);
на фиг.8 представлен график, показывающий вольт-амперные характеристики при различных толщинах электролитной мембраны топливного элемента согласно первому варианту;on Fig presents a graph showing the current-voltage characteristics at different thicknesses of the electrolyte membrane of the fuel cell according to the first embodiment;
на фиг.9 представлена схема топливного элемента с твердым полимерным электролитом согласно второму варианту настоящего изобретения;Fig. 9 is a diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention;
на фиг.10 представлен график зависимости напряжения элемента от истекшего времени при различных степенях циркуляции в топливном элементе согласно второму варианту;figure 10 presents a graph of the dependence of the cell voltage on elapsed time at various degrees of circulation in the fuel cell according to the second embodiment;
на фиг.11 представлен график почасового изменения напряжения элемента при степени циркуляции, равной 4, в топливном элементе согласно второму варианту;11 is a graph of the hourly change in cell voltage at a degree of circulation of 4 in the fuel cell according to the second embodiment;
на фиг.12 представлена схема, показывающая конденсатор топливного элемента согласно второму варианту;12 is a diagram showing a fuel cell capacitor according to a second embodiment;
на фиг.13 представлена схема, показывающая одну модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту;13 is a diagram showing one modification of a fuel cell capacitor according to a second embodiment;
на фиг.14 представлена схема, показывающая другую модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту;14 is a diagram showing another modification of a fuel cell capacitor according to a second embodiment;
на фиг.15А представлена схема, показывающая еще одну модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту, где фиг.15А показывает состояние, когда вода абсорбирована конденсатором;on figa presents a diagram showing another modification of the capacitor of the fuel cell according to the second embodiment, where figa shows the state when water is absorbed by the capacitor;
на фиг.15В представлена схема, показывающая еще одну модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту, причем фиг.15В показывает состояние, когда вода, абсорбированная конденсатором, отжата;on figv presents a diagram showing another modification of the capacitor of the fuel cell according to the second variant, and figv shows the state when the water absorbed by the capacitor is squeezed;
на фиг.16 представлена схема, показывающая еще одну другую модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту;FIG. 16 is a diagram showing yet another modification of a fuel cell capacitor according to a second embodiment;
на фиг.17 представлена схема, показывающая еще одну другую модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту;17 is a diagram showing another other modification of a fuel cell capacitor according to a second embodiment;
на фиг.18А представлена схема, показывающая другую модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту, причем фиг.18А показывает состояние, когда вода абсорбирована конденсатором;on figa presents a diagram showing another modification of the capacitor of the fuel cell according to the second variant, and figa shows a state when the water is absorbed by the capacitor;
на фиг.18В представлена схема, показывающая другую модификацию конденсатора топливного элемента согласно второму варианту, причем фиг.18В показывает состояние, когда вода, абсорбированная конденсатором, отжата, позволяя газообразному кислороду обходить конденсатор;Fig. 18B is a diagram showing another modification of a fuel cell capacitor according to the second embodiment, wherein Fig. 18B shows a state where water absorbed by the capacitor is squeezed out, allowing oxygen gas to bypass the capacitor;
на фиг.19 представлен график соответствующих изменений во времени напряжения элемента при различных температурах охлаждающей воды в топливном элементе согласно второму варианту;on Fig presents a graph of the corresponding changes over time of the voltage of the element at different temperatures of the cooling water in the fuel cell according to the second variant;
на фиг.20 представлена схема, показывающая одну модификацию топливного элемента согласно второму варианту;Fig. 20 is a diagram showing one modification of a fuel cell according to a second embodiment;
на фиг.21 представлена схема, показывающая традиционный топливный элемент с твердым полимерным электролитом.21 is a diagram showing a conventional solid polymer electrolyte fuel cell.
Описание предпочтительных вариантовDescription of Preferred Options
Варианты настоящего изобретения будут теперь описаны со ссылкой на чертежи.Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
На фиг.1 показан топливный элемент с твердым полимерным электролитом согласно первому варианту настоящего изобретения. Топливный элемент с твердым полимерным электролитом содержит батарею топливных элементов 21, образованную путем многослойного расположения (т.е. расположения в виде пакета или стопки) множества отдельных топливных элементов 25 через сепаратор 26 (см. фиг.2). Каждый из топливных элементов 25 включает в себя топливный электрод 23, окислительный электрод 24, расположенный напротив топливного электрода, и электролитную мембрану 22 с проводимостью по иону водорода, расположенную между топливным и окислительным электродами для обеспечения возможности движения ионов водорода в ней. На фиг.1 показан только один из топливных элементов 25 для упрощения последующего пояснения. Впуск 27 водорода и выпуск 28 кислорода предусмотрены на верхних сторонах соответственно топливного электрода 23 и кислородного электрода 24. Выпуск 29 водорода и впуск 30 кислорода предусмотрены на нижних сторонах соответственно топливного электрода 23 и кислородного электрода 24. Как показано на фиг.2, сепаратор 26 выполнен в форме прямоугольной плоской пластины и состоит из фронтальной или топливно-электродной части 31 и тыльной или кислородно-электродной части 32. Топливно-электродная часть 31 снабжена впуском 33 водорода и выпуском 34 водорода, соответствующими впуску 27 водорода и выпуску 29 водорода, а кислородно-электродная часть 32 снабжена впуском 35 кислорода и выпуском 36 кислорода, соответствующими впуску 30 кислорода и выпуску 28 кислорода. Кроме того, в топливно-электродной части 31 и кислородно-электродной части 32 сформированы соответствующие рисунки (профили) каналов 37, 38 в виде гребенки, так что газообразные водород и кислород текут обычно в противоположных направлениях (смотри жирные стрелки на фиг.2).1 shows a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention. A solid polymer electrolyte fuel cell comprises a
В топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно первому варианту в качестве топлива и окислителя предпочтительным образом используются соответственно чистый газообразный водород и чистый газообразный кислород. Чистый газообразный водород подают к стороне топливного электрода 23 через впуск 27 водорода, а чистый газообразный кислород подают к стороне окислительного электрода 24 через впуск 30 кислорода. После подачи в батарею топливных элементов 21 чистый газообразный водород и чистый газообразный кислород текут в противоположных направлениях вдоль электролитной мембраны 22 с проводимостью по иону водорода. Как показано на фиг.3, вода, образовавшаяся на стороне окислительного электрода в процессе реакции между чистым газообразным водородом и чистым газообразным кислородом, движется за счет диффузии к топливному электроду через электролитную мембрану 22 с проводимостью по иону водорода для увлажнения чистого газообразного водорода вблизи впуска 27 водорода. Увлажненный чистый газообразный водород течет в направлении, противоположном потоку чистого газообразного кислорода, и количество водяного пара в чистом газообразном водороде увеличивается по мере того, как этот чистый газообразный водород потребляется. Далее, вблизи выпуска 29 водорода вода движется от топливного электрода к окислительному электроду с увлажнением зоны, соседней со впуском 30 кислорода. Таким образом, вода в батарее 21 топливных элементов движется обратимо (т.е. в обоих направлениях) между окислительным и топливным электродами через электролитную мембрану 22 с проводимостью по иону водорода для увеличения зоны удерживания воды в электролитной мембране 22 с проводимостью по иону водорода, с получением улучшенных характеристик топливного элемента.In the solid polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment, pure hydrogen gas and pure oxygen gas are preferably used as the fuel and oxidizing agent. Pure hydrogen gas is supplied to the side of the
На фиг.6 показаны соответствующие выходные характеристики топливного элемента с твердым полимерным электролитом так называемого типа с параллельным течением газов, в котором газообразный кислород и газообразный водород текут в одном направлении вдоль электролитной мембраны 22 с проводимостью по иону водорода (смотри фиг.4), и топливного элемента с твердым полимерным электролитом так называемого типа с противоположным течением газов, в котором газообразный кислород и газообразный водород текут в противоположных направлениях вдоль электролитной мембраны 22 с проводимостью по иону водорода (смотри фиг.5). Как видно на фиг.6, в топливном элементе типа с параллельным течением газов среднее напряжение элемента значительно снижается, когда ток нагрузки увеличивается. Напротив, в топливном элементе типа с противоположным течением газов, поскольку вода обратимо движется между окислительным электродом 23 и топливным электродом 24 через электролитную мембрану 22 с увеличением зоны удерживания воды в электролитной мембране, среднее напряжение элемента может стабильно поддерживаться на более высоком уровне, даже если ток нагрузки увеличивается.Figure 6 shows the corresponding output characteristics of a so-called parallel polymer gas solid fuel cell with a gas flow in which gaseous oxygen and hydrogen gas flow in the same direction along the
Экспериментальные данные, представленные на фиг.6, были получены в условиях, когда рабочую температуру устанавливали на 65°С, а степень использования газообразных водорода и кислорода при каждом из токов нагрузки устанавливали на уровне 30%. Батарею 21 топливных элементов формировали путем многослойного расположения в виде пакета четырех отдельных топливных элементов 25, каждый из которых имел эффективную площадь поверхности 81 см2, а между этими отдельными топливными элементами размещали углеродный сепаратор 39 с канавками для газа (смотри фиг.7). В каждом из топливного электрода 23 и окислительного электрода 24 содержалось 0,5 мг/см2 платины, а в качестве электролитной мембраны 22 с проводимостью по иону водорода использовали фторсодержащую твердую полимерную мембрану, имеющую твердую пленку в примерно 30 мкм толщиной, образованную на ней с использованием раствора Nation (Aldrich Co., США). Вышеуказанный сепаратор 39 сформирован так, чтобы он имел извилистые (змеевидные) профили 40, 41 проточных каналов, как показано на фиг.7, но позволял газообразным водороду и кислороду течь в целом в противоположных направлениях (смотри жирные стрелки на фиг.7). Каждый из профилей 40, 41 проточных каналов включает в себя канавку, имеющую ширину 1,5 мм и глубину 1,0 мм, и буртик, имеющий ширину 1,5 мм. Каждая из зон 42 канавок выполнена квадратной со стороной 9 см, а сепаратор 39 выполнен квадратным с наружной стороной 13 см.The experimental data presented in Fig. 6 were obtained under conditions when the operating temperature was set to 65 ° C, and the degree of utilization of gaseous hydrogen and oxygen at each of the load currents was set at 30%. A
На фиг.8 представлены результаты измерения характеристик среднего напряжения элемента в зависимости от генерируемого электрического тока, когда толщину электролитной мембраны 22 устанавливают на уровне 6,5 мкм, 15 мкм, 30 мкм, 45 мкм и 60 мкм в одинаковых условиях с экспериментальными данными на фиг.6. Как видно на фиг.8, в электролитной мембране, имеющей толщину 60 мкм, среднее напряжение элемента склонно к значительному снижению в том случае, если снимается большой генерируемый электрический ток. Указанное явление вызвано тем, что вода не может адекватно проникать и диффундировать через электролитную мембрану в топливном элементе из-за увеличенной толщины этой электролитной мембраны, и задержка проницаемости и диффузии воды ведет к образованию фронта, особенно при большом генерируемом электрическом токе. То есть подтверждается, что электролитная мембрана, имеющая толщину более 50 мкм, вызывает резкое ухудшение среднего напряжения элемента при большом генерируемом электрическом токе. Напротив, топливный элемент, в котором используется электролитная мембрана, имеющая толщину 15, 30 или 45 мкм, показывает превосходную характеристику напряжения элемента и демонстрирует (что не показано на фиг.8) превосходный результат испытания, проводимого при постоянном токе. Хотя топливный элемент, в котором используется тонкая электролитная мембрана с толщиной 6,5 мкм, показывает превосходную характеристику элемента в указанном интервале, как показано на фиг.8, электролитная мембрана разрушается в самом начале работы топливного элемента из-за ее малой механической прочности, и газообразные водород и кислород легко смешиваются друг с другом в ходе испытания, проводимого при постоянном токе, вызывая прямую реакцию между газами и соответствующее ухудшение напряжения топливного элемента. Поэтому толщину электролитной мембраны 22, предпочтительно, задают в интервале 10-50 мкм.On Fig presents the results of measuring the characteristics of the average voltage of the cell depending on the generated electric current, when the thickness of the
Топливный элемент с твердым полимерным электролитом согласно второму варианту настоящего изобретения будет описан ниже со ссылкой на фиг.9. В целях упрощения последующего описания компоненты или элементы на фиг.9, эквивалентные компонентам или элементам на фиг.1, обозначаются теми же ссылочными номерами, а их подробные описания опускаются.A solid polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 9. In order to simplify the following description, the components or elements of FIG. 9, equivalent to the components or elements of FIG. 1, are denoted by the same reference numbers and their detailed descriptions are omitted.
В топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно второму варианту выпуск 29 водорода закрыт, а выпуск 28 кислорода на стороне окислительного электрода 24 соединен с контуром 51 подачи кислорода, соединенным с впуском 30 кислорода с образованием замкнутого циркуляционного контура 52. Конденсатор 53 и циркуляционный насос 54 соединены последовательно с замкнутым циркуляционным контуром 52, и в этом замкнутом циркуляционном контуре 52 предусмотрено устройство регулирования объема потока (не показано) для регулирования объема потока газа, циркулирующего в замкнутом циркуляционном контуре 52, на заданном уровне.In the solid polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment, the
На фиг.10 показаны характеристики среднего напряжения элемента в зависимости от полного времени генерирования энергии (часы), когда степень циркуляции газообразного кислорода (объем циркулирующего газообразного кислорода/теоретический объем газообразного кислорода) варьируется на уровне 0, 2, 4 и 8. На фиг.11 показана характеристика напряжения топливного элемента при непрерывной работе и токе нагрузки 30 А, степени циркуляции газообразного кислорода, равной 4, и рабочей температуре 65°С. Как видно на фигурах 10 и 11, когда степень циркуляции газообразного кислорода составляет менее 2, вода накапливается в батарее 21 топливных элементов, вероятно вызывая раннее ухудшение характеристик топливного элемента. С другой стороны, когда степень циркуляции газообразного кислорода составляет более 10, скорость циркуляции газа чрезмерно увеличивается, усложняя регулирование влажности в конденсаторе 53 и батарее топливных элементов. К тому же, когда скорость циркуляции газа увеличивается, увеличивается потеря давления в топливном элементе, приводя к избыточной разности давления между соответствующими сторонами водородного и кислородного электродов, что может вызвать неожиданное явление, такое как смешение газообразных водорода и кислорода. Поэтому объем газообразного кислорода, циркулирующего в замкнутом циркуляционном контуре 52, предпочтительно поддерживают так, чтобы он был от 2 до 10 раз больше, чем теоретический объем газообразного кислорода, требуемый для электрохимического генерирования электроэнергии.Figure 10 shows the characteristics of the average cell voltage as a function of the total energy generation time (hours) when the degree of circulation of gaseous oxygen (volume of circulating gaseous oxygen / theoretical volume of gaseous oxygen) varies at the levels of 0, 2, 4 and 8. In FIG. 11 shows a characteristic of a fuel cell voltage during continuous operation and a load current of 30 A, a degree of circulation of gaseous oxygen equal to 4, and an operating temperature of 65 ° C. As can be seen in figures 10 and 11, when the degree of circulation of gaseous oxygen is less than 2, water accumulates in the
Как показано на фиг.12, конденсатор 53 содержит цилиндрический контейнер 55, холодильник 56, предусмотренный вокруг наружной периферии контейнера 55, перфорированную плиту 57, присоединенную к внутренней поверхности рядом с днищем контейнера 55, и цилиндрический абсорбирующий элемент 58, состоящий из множества абсорбирующих материалов, наслоенных на перфорированную плиту 57. Через абсорбирующий элемент 58 вертикально перфорировано множество каналов 60 сообщения, позволяя газообразному кислороду равномерно (плавно) проходить через конденсатор 53, даже если абсорбирующий элемент 58 поглощает воду. Это делает возможным поддержание стабильных и высоких характеристик генерирования энергии. Вход 61 газа и выход 62 газа предусмотрены соответственно на верхней и нижней сторонах наружной периферии контейнера 55. Вход 63 охлаждающей среды и выход 64 охлаждающей среды предусмотрены на нижней и верхней сторонах холодильника 56. Холодильник 56 также снабжен устройством регулирования температуры (не показано) для регулирования температуры охлаждающей среды, циркулирующей через холодильник 56, на заданном уровне.As shown in FIG. 12, the
В качестве примера во втором варианте контейнер 55 выполнен из нержавеющей стали и имеет толщину 0,5 мм, диаметр 8 см и высоту 20 см. Холодильник 56 имеет наружный диаметр 11 см. Циркуляционный насос 54 представляет собой насос диафрагменного типа. Абсорбирующий элемент выполнен имеющим диаметр 7,5 см, толщину 15 см и пористость 80% и выполнен из коммерчески доступного найлонового нетканого материала, способного содержать примерно 500 мл воды. Каждый из каналов 60 сообщения имеет внутренний диаметр 4 мм.As an example, in the second embodiment, the
В качестве одной из альтернатив конденсатору 53 может быть использован конденсатор 66, показанный на фиг.13. Конденсатор 66 включает в себя множество абсорбирующих элементов 58, каждый из которых имеет множество каналов 60 сообщения, перфорированных вертикально в случайном положении, и множество пористых элементов 65, имеющих низкую водопоглощающую способность и высокую газопроницаемость. Абсорбирующий элемент 58 и пористый элемент 65 поочередно наслоены в контейнере 55. В данном случае газообразный кислород может диффундировать более интенсивно, обеспечивая улучшенные характеристики конденсирования.As one alternative to the
Альтернативно, может быть использован конденсатор 66', показанный на фиг.14. Конденсатор 66' включает в себя охлаждающее устройство 67 и устройство 68, содержащее конденсированную воду, предусмотренное отдельно от охлаждающего устройства 67. В данном случае охлаждающее устройство 67 работает для конденсации водяного пара в выходящем газообразном кислороде, а устройство 68, содержащее конденсированную воду, работает для содержания конденсированной в результате воды. В данном случае функция конденсирования водяного пара и функция содержания конденсированной воды разделены. Таким образом, даже если контейнер 55 имеет увеличенный наружный диаметр для увеличения объема конденсированной воды, охлаждающее устройство 67 может сохранять адекватную эффективность охлаждения при конденсации водяного пара в выходящем газообразном кислороде с улучшенной эффективностью.Alternatively, the
Как показано на фиг.15, конденсатор 66 может дополнительно включать в себя поршневой элемент 69, предусмотренный выше абсорбирующего элемента 58 и предназначенный для скользящего движения вертикально по внутренней поверхности контейнера 55. Поршневой элемент 69 работает для сжатия абсорбирующих элементов 58 и пористых элементов 65 сверху с определенными интервалами времени или с определенным рабочим циклом с тем, чтобы отжимать конденсированную воду, содержащуюся в абсорбирующих элементах 58, и принудительно выводить конденсированную воду из выхода 70, предусмотренного на днище контейнера 55 (смотри фиг.15В). После удаления конденсированной воды поршневой элемент 69 передвигается вверх в его первоначальное положение, и абсорбирующие элементы 58 и пористые элементы 65 возвращаются в свое первоначальное состояние за счет своей упругости (смотри фиг.15А). Рабочий цикл удаления конденсированной воды из конденсатора 66 определяется в соответствии с емкостью по воде (влагоемкостью) конденсатора 66, числом отдельных топливных элементов в батарее топливных элементов и количеством генерируемого электричества.As shown in FIG. 15, the
Количество воды, генерируемой в топливном элементе, может быть логичным образом рассчитано по следующей формуле:The amount of water generated in the fuel cell can be logically calculated using the following formula:
количество воды (г) = ток (А) × время протекания тока (с) / F × 9 (г) × число отдельных топливных элементов в батарее топливных элементов,amount of water (g) = current (A) × current flow time (s) / F × 9 (g) × number of individual fuel cells in a fuel cell battery,
где F представляет собой постоянную Фарадея 96500 кулон/моль (А·с/моль), и 9 (г) представляет собой массу воды, генерируемой при одном Фарадее.where F is the Faraday constant 96500 pendant / mol (A · s / mol), and 9 (g) represents the mass of water generated with one Faraday.
Даже если ток и время протекания тока изменяются произвольно, полное количество воды может быть определено с использованием вышеуказанной формулы для расчета соответствующих количеств воды для каждого из токов и времен протекания тока и суммированием рассчитанных значений. Таким образом, топливный элемент может непрерывно работать при поддержании количества воды на верхнем пределе емкости по воде конденсатора 66. В данном случае рабочий цикл удаления конденсированной воды может быть адекватно настроен для предотвращения какого-либо ухудшающего воздействия на функцию генерирования энергии топливного элемента при большом токе генерирования энергии.Even if the current and current flow time vary arbitrarily, the total amount of water can be determined using the above formula to calculate the corresponding amounts of water for each of the currents and current flow times and summarize the calculated values. Thus, the fuel cell can operate continuously while maintaining the amount of water at the upper limit of the
Кроме того, может быть предусмотрено большое число конденсаторов 66, например два конденсатора 66, как показано на фигурах 16 и 17. В данном случае регулирующий клапан 71 предусмотрен выше конденсаторов 66, 66 по ходу потока газа, и конденсаторы 66, 66 могут работать независимо, как показано на фиг.16. Альтернативно, как показано на фиг.17, соответствующие поршневые элементы 69, 69 конденсаторов 66, 66 могут срабатывать в различные моменты времени, и регулирующий клапан 71 может быть отрегулирован так, что выходящий газообразный кислород идет через один из конденсаторов 66, 66 при работающем поршневом элементе 69 другого конденсатора 66, так что водяной пар в выходящем газообразном кислороде непрерывно конденсируется, а сконденсированная вода удаляется.In addition, a large number of
Кроме того, как показано на фиг.18, обводная труба 72 для обхождения конденсатора 66 может быть предусмотрена для возвращения выходящего газообразного кислорода непосредственно в батарею 21 топливных элементов без прохождения его через конденсатор 66 в процессе операции удаления конденсированной воды из конденсатора 66, предпочтительно, на короткий период времени (смотри фиг.18В).In addition, as shown in FIG. 18, a
Во втором варианте абсорбирующий элемент 58 выполнен из найлонового нетканого материала. Однако абсорбирующий элемент 58 может быть выполнен из любого подходящего материала, имеющего превосходную абсорбирующую способность, такого как тканый или нетканый материал из искусственного, натурального волокна или тому подобного. Кроме того, охлаждающая среда холодильника 56 может быть выбрана из группы, состоящей из воды, аммиачной воды, этиленгликоля и минерального масла, в соответствии с условиями использования. Кроме того, внутренняя поверхность контейнера 55, содержащего абсорбирующий элемент 58, может быть формована с вогнутой и выпуклой частями для обеспечения увеличенной площади поверхности теплопередачи.In a second embodiment, the
На фиг.19 представлены результаты измерения среднего напряжения элемента, когда батарея 21 топливных элементов, имеющая такие же обозначения, как в первом варианте, работает при рабочей температуре 65°С, токе 30 А и степени циркуляции газообразного кислорода, равной 4, с конденсатором 66', отдельно имеющим охлаждающее устройство 67 и устройство 68, содержащее конденсированную воду (смотри фиг.14), и с использованием воды в качестве охлаждающей его среды, причем температура охлаждающей воды варьируется на уровне 20°С, 40°С, 55°С, 65°С, 75°С и 85°С. Согласно данным результатам измерений, когда температура охлаждающей воды устанавливается на уровне 20°С, электролитная мембрана сохнет, и поэтому среднее напряжение элемента постепенно снижается. Когда температура охлаждающей воды устанавливается на уровне 85°С, электролитная мембрана является избыточно смоченной, и в результате смежный каталитический слой и сепаратор на наружной ее стороне являются смоченными, в результате чего так называемое явление затопления ухудшает диффузию реакционных газов в электролитной мембране и вызывает снижение среднего напряжения элемента. Незначительное снижение среднего напряжения элемента наблюдается при других температурах охлаждающей воды. Таким образом, подтверждается, что относительно высокая временная характеристика может быть получена при установлении температуры охлаждающей воды в интервале от -30°С до +10°С по отношению к рабочей температуре топливного элемента. К тому же экспериментально подтверждается, что охлаждающую воду предпочтительно поддерживать при более высокой температуре для большей степени циркуляции газообразного кислорода и при более низкой температуре - для меньшей степени циркуляции газообразного кислорода.On Fig presents the results of measuring the average voltage of the cell, when the
Работа топливного элемента с твердым полимерным электролитом согласно второму варианту будет описана ниже.The operation of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment will be described below.
Как и в случае с первым вариантом, в топливном элементе с твердым полимерным электролитом согласно второму варианту используется чистый газообразный водород в качестве топлива и чистый газообразный кислород - в качестве окислителя. Чистые газообразные водород и кислород, подаваемые в батарею 21 топливных элементов, текут в противоположных направлениях вдоль электролитной мембраны 22 с проводимостью по иону водорода с генерированием электроэнергии. В данном случае, т.к. выпуск 29 водорода является закрытым, степень использования чистого газообразного водорода составляет приблизительно 100%. После взаимодействия с газообразным водородом чистый газообразный кислород регулируется на заданном объеме потока устройством регулирования объема потока и подается в конденсатор 53 через выпуск 28 кислорода, замкнутый циркуляционный контур 52 и впуск 61 газа. Затем холодильник 56 охлаждает выходящий чистый газообразный кислород, подаваемый в конденсатор, до заданной температуры, с конденсированием водяного пара в выходящем чистом газообразном кислороде и образованием конденсированной воды. Конденсированная вода абсорбируется в абсорбирующем элементе 58, когда выходящий чистый газообразный кислород проходит через каналы 60 сообщения. Выходящий чистый газообразный кислород из конденсатора 53 через выход 62 газа принудительно подается из замкнутого циркуляционного контура 52 в контур 51 подачи кислорода циркуляционным насосом 54. Затем вышедший чистый газообразный кислород смешивается с чистым газообразным кислородом из источника чистого газообразного кислорода и возвращается к стороне окислительного электрода 24 через впуск 30 кислорода.As in the case of the first embodiment, in the solid polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment, pure hydrogen gas is used as a fuel and pure oxygen gas as an oxidizing agent. Pure gaseous hydrogen and oxygen supplied to the
Как указано выше, при закрытии выпуска 29 водорода и образовании замкнутого циркуляционного контура 52 на стороне окислительного электрода 24 степени использования как газообразного водорода, так и газообразного кислорода будут составлять приблизительно 100%. К тому же, при регулировании объема циркуляции и температуры газообразного кислорода влажность электролитной мембраны может поддерживаться в заданном интервале для предотвращения накопления воды, образовавшейся посредством реакции между газообразными водородом и кислородом, внутри батареи 21 топливных элементов.As indicated above, when closing the
Кроме того, вода, образовавшаяся в процессе генерирования энергии, содержится в конденсаторе, и количество воды адекватно регулируется. Таким образом, топливный элемент может эффективно генерировать электроэнергию без накопления воды на электролитной мембране и появления явления затопления. Конденсированная вода, абсорбированная в абсорбирующем элементе 58 конденсатора 53 или 66, может быть использована в качестве питьевой воды в замкнутой среде, такой как космическое пространство, или повторно использована для генерирования энергии при регенерировании газообразных водорода и кислорода посредством электролиза.In addition, the water generated during the energy generation process is contained in the capacitor, and the amount of water is adequately regulated. Thus, the fuel cell can efficiently generate electricity without the accumulation of water on the electrolyte membrane and the occurrence of flooding. Condensed water absorbed in the
Вышеуказанный конденсатор 53, 66 или 66' может эффективно удалять воду, образовавшуюся с избытком посредством генерирования энергии при большом токе, с поддержанием адекватной характеристики генерирования энергии топливного элемента. Абсорбирующий элемент 58, предусмотренный в конденсаторе 53, 66 или 66', может предотвращать переполнение конденсированной водой конденсатора 53, 66 или 66' даже при очень низкой гравитации, как в космическом пространстве, с достижением стабильного генерирования энергии.The
В вышеуказанном варианте циркуляционный газ, имеющий желаемую влажность, повторно подают в батарею 21 топливных элементов путем адекватного регулирования температуры охлаждающей среды в конденсаторе и регулирования парциального давления водяного пара в циркуляционном газе, подаваемом повторно в батарею 21 топливных элементов через замкнутый циркуляционный контур 52. Таким образом, количество воды, удаляемой в конденсаторе 53, 66 или 66', и количество циркуляционного газа могут регулироваться хорошо сбалансированным образом. Это может предотвратить явление высыхания, обусловленное чрезмерным удалением воды из батареи 21 топливных элементов, высыхание электролитной мембраны 22 и блокирование пропускания ионов водорода, что обеспечивает улучшенные характеристики генерирования энергии.In the above embodiment, the circulation gas having the desired humidity is re-fed into the
Кроме того, поскольку в качестве окислителя используется газообразный кислород, циркуляция газа позволяет использовать 100% подаваемого газа. Кроме того, парциальное давление воды может быть свободно изменено регулированием степени циркуляции газообразного кислорода, и поэтому допустимый интервал рабочей температуры топливного элемента может быть расширен. Например, когда топливный элемент работает со степенью циркуляции газообразного кислорода, равной 2, допустимая рабочая температура может быть увеличена до 87°С.In addition, since gaseous oxygen is used as an oxidizing agent, gas circulation allows the use of 100% of the feed gas. In addition, the partial pressure of water can be freely changed by controlling the degree of circulation of gaseous oxygen, and therefore the allowable range of the operating temperature of the fuel cell can be extended. For example, when a fuel cell operates with a gaseous oxygen circulation of 2, the permissible operating temperature can be increased to 87 ° C.
Хотя замкнутый циркуляционный контур согласно вышеуказанному варианту предусмотрен на стороне окислительного электрода 24, замкнутый циркуляционный контур 52 может быть предусмотрен либо на одной стороне, либо на обеих сторонах топливного электрода 23 и окислительного электрода 24. Однако предпочтительно предусматривать замкнутый циркуляционный контур 52 по меньшей мере на той стороне, где образуется вода, в частности - на стороне окислительного электрода 24, когда используется электролитная мембрана 22 с проводимостью по иону водорода, или на стороне топливного электрода 23, когда используется электролитная мембрана с проводимостью по гидроксид-иону или карбонат-иону.Although a closed circulation circuit according to the above embodiment is provided on the side of the oxidizing
Кроме того, как показано на фиг.20, источник газообразного кислорода может быть соединен с входной стороной конденсатора 53. В этом случае соотношение между количеством циркулируемого газообразного кислорода и характеристикой топливного элемента является таким же, как в вышеуказанном варианте. Кроме того, данная конструкция преимущественно приспособлена к более легкому регулированию влажности газообразного кислорода, циркулируемого внутри батареи 21 топливных элементов, и к адекватной работе топливного элемента при снижении температуры конденсатора 53 на 5-10°С.In addition, as shown in FIG. 20, a source of gaseous oxygen can be connected to the input side of the
Как указано выше, согласно настоящему изобретению газообразный водород, подаваемый к стороне топливного электрода, и газообразный кислород, подаваемый к стороне окислительного электрода, текут в противоположных направлениях в батарее топливных элементов, так что вода движется обратимо между топливным и окислительным электродами через мембрану из твердого полимерного электролита. Таким образом, без наличия какого-либо увлажнителя зона удерживания воды в мембране из твердого полимерного электролита увеличивается, с достижением улучшенных характеристик топливного элемента.As indicated above, according to the present invention, gaseous hydrogen supplied to the side of the fuel electrode and gaseous oxygen supplied to the side of the oxidizing electrode flow in opposite directions in the fuel cell stack, so that water moves reversibly between the fuel and oxidizing electrodes through a solid polymer membrane electrolyte. Thus, without the presence of any humidifier, the water retention zone in the membrane of the solid polymer electrolyte is increased, with the achievement of improved characteristics of the fuel cell.
К тому же, поскольку необходимость предусматривать увлажнитель отпадает, топливный элемент может быть уменьшен в размере и/или по массе. Кроме того, может быть образован замкнутый циркуляционный контур, и/или выпуск газа из батареи топливных элементов может быть закрыт с обеспечением улучшенных степеней использования газов на соответствующих сторонах топливного и окислительного электродов.In addition, since there is no need to provide a humidifier, the fuel cell can be reduced in size and / or weight. In addition, a closed circulation loop may be formed, and / or the gas outlet from the fuel cell stack may be closed to provide improved degrees of gas utilization on the respective sides of the fuel and oxidation electrodes.
Кроме того, объем потока и/или температура циркуляционного газа в замкнутом циркуляционном контуре могут регулироваться для регулирования влажности в батарее топливных элементов с тем, чтобы обеспечить различные превосходные эффекты, такие как улучшение характеристик топливного элемента, снижение эксплуатационных затрат и генерирование высокой мощности.In addition, the volume of the flow and / or the temperature of the circulating gas in the closed circuit can be controlled to control the humidity in the fuel cell stack in order to provide various excellent effects, such as improving the performance of the fuel cell, reducing operating costs and generating high power.
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003111767/09A RU2286622C2 (en) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | Fuel cell using licensed solid electrolyte |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002-120687 | 2002-04-23 | ||
| RU2003111767/09A RU2286622C2 (en) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | Fuel cell using licensed solid electrolyte |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003111767A RU2003111767A (en) | 2004-11-10 |
| RU2286622C2 true RU2286622C2 (en) | 2006-10-27 |
Family
ID=37438796
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003111767/09A RU2286622C2 (en) | 2003-04-22 | 2003-04-22 | Fuel cell using licensed solid electrolyte |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2286622C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584153C1 (en) * | 2012-03-30 | 2016-05-20 | Дзе Юниверсити Оф Токио | Reversible fuel cell and battery of reversible fuel cells |
-
2003
- 2003-04-22 RU RU2003111767/09A patent/RU2286622C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584153C1 (en) * | 2012-03-30 | 2016-05-20 | Дзе Юниверсити Оф Токио | Reversible fuel cell and battery of reversible fuel cells |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20070259231A1 (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell | |
| US5432023A (en) | Fuel cell | |
| US6274259B1 (en) | Fine pore enthalpy exchange barrier | |
| US6780533B2 (en) | Fuel cell having interdigitated flow channels and water transport plates | |
| JP3177256B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell that can stably obtain excellent power generation characteristics | |
| JP3203150B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell system | |
| US20080160363A1 (en) | Control of the Polymer Humidifying Membrane of a Fuel Cell | |
| JP2007502248A (en) | Hydrogen generator | |
| JP3882735B2 (en) | Fuel cell | |
| JPH05283094A (en) | Fuel cell | |
| EP1354851A1 (en) | Hydrogen Production system | |
| JPH06188008A (en) | Fuel battery | |
| EP1355372A2 (en) | Gas generation system and fuel cell | |
| JPH06325780A (en) | Fuel cell system | |
| CN101379640B (en) | Fuel battery | |
| RU2286622C2 (en) | Fuel cell using licensed solid electrolyte | |
| JP2000277128A (en) | Solid polymer type fuel cell | |
| JP2001176529A (en) | Solid high molecular fuel cell body and solid high molecular fuel cell power generating system | |
| JP4672120B2 (en) | Fuel cell device and method of operating fuel cell device. | |
| WO2002103829A1 (en) | Solid polymer type fuel cell, and solid polymer type fuel cell generation system | |
| JP2009158202A (en) | Fuel cell | |
| JP2005100975A (en) | Polymer electrolyte fuel cell system and its operating method | |
| JP2004529458A (en) | Method for improving the moisture balance of a fuel cell | |
| US20060115696A1 (en) | Hydrogen gas humidity control apparatus, fuel cell, hydrogen gas humidity controlling method, and humidity control method for fuel cell | |
| JP2004186008A (en) | Solid polymer fuel cell, solid polymer fuel cell system and mobile body |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170423 |