RU2316084C1 - Fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2316084C1 RU2316084C1 RU2006127452/09A RU2006127452A RU2316084C1 RU 2316084 C1 RU2316084 C1 RU 2316084C1 RU 2006127452/09 A RU2006127452/09 A RU 2006127452/09A RU 2006127452 A RU2006127452 A RU 2006127452A RU 2316084 C1 RU2316084 C1 RU 2316084C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- air
- stack
- hydrogen
- 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
Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, а более конкретно к системе топливного элемента, способной повысить производительность топливного элемента посредством увеличения скорости реакции топливного элемента.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of increasing a fuel cell performance by increasing a fuel cell reaction rate.
Уровень техникиState of the art
В общем, система топливного элемента была предложена в качестве замены ископаемого топлива, и, в отличие от обычного элемента (вторичного элемента), в ней на анод подается топливо (водород или углеводород), а на катод подается кислород. Таким образом, в системе топливного элемента протекает электрохимическая реакция между водородом и кислородом без реакции сгорания (реакции окисления) топлива и, тем самым, разность энергии между состояниями до и после реакции непосредственно преобразуется в электроэнергию.In general, a fuel cell system was proposed as a replacement for fossil fuel, and, unlike a conventional element (secondary element), fuel (hydrogen or hydrocarbon) is supplied to the anode, and oxygen is supplied to the cathode. Thus, in the fuel cell system, an electrochemical reaction takes place between hydrogen and oxygen without the combustion reaction (oxidation reaction) of the fuel and, thus, the energy difference between the states before and after the reaction is directly converted to electricity.
Как показано на Фиг.1, система топливного элемента в соответствии с традиционным уровнем техники содержит: стопку 106 топливного элемента, в которой анод 102 и катод 104 расположены в виде стопки (пакета) во множественном числе в состоянии, при котором между ними размещена электролитная мембрана (не показана), чтобы генерировать электроэнергию посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом; топливный бак 108 для подачи топлива на анод 102; блок 110 подачи окислителя для подачи окислителя на катод 104; и т.д.As shown in FIG. 1, a fuel cell system according to the prior art comprises: a stack of
Между топливным баком 108 и анодом 102 стопки 106 топливного элемента установлен топливный насос 112 для нагнетания (принудительной подачи) топлива, хранящегося в топливном баке 108.Between the
В качестве подаваемого на катод 104 окислителя используют кислородсодержащий воздух. Блок 110 подачи окислителя содержит: воздушный компрессор 114 для подачи воздуха на катод 104 стопки 106 топливного элемента; воздушный фильтр 116 для фильтрации воздуха, подаваемого в стопку 106 топливного элемента; увлажнитель 118 для увлажнения воздуха, подаваемого в стопку 106 топливного элемента.Oxygen-containing air is used as the oxidizing agent supplied to the
Процессы генерирования электроэнергии посредством подачи топлива в такой традиционный топливный элемент описываются ниже следующим образом.The processes for generating electricity by supplying fuel to such a conventional fuel cell are described below as follows.
Когда топливный насос 112 приводят в действие посредством управляющего сигнала контроллера (не показан), топливо, содержащееся в топливном баке 108, закачивается насосом для подачи таким образом на анод 102 стопки 106 топливного элемента. Кроме того, когда приводят в действие воздушный компрессор 114, воздух, отфильтрованный воздушным фильтром 116, проходит через увлажнитель 118 с тем, чтобы быть увлажненным, и подается на катод 104 стопки 106 топливного элемента.When the
После того, как топливо и воздух поданы в стопку 106 топливного элемента, на аноде 102 осуществляется электрохимическое окисление водорода, а на катоде 104 осуществляется электрохимическое восстановление кислорода в состоянии, когда между анодом 102 и катодом 104 размещена электролитная мембрана (не показана). При этом генерируется электричество вследствие перемещения сгенерированных электронов, и оно подается на нагрузку 120.After fuel and air are supplied to the
То есть, на аноде 102 вызывается реакция электрохимического окисления водорода, например, BH4 -+8OH-→BO2 -+6H2O+8e-, и ионы, образовавшиеся в результате реакции окисления/восстановления, переносятся к катоду 104 через электролитную мембрану. Кроме того, на катоде 104 вызывается реакция электрохимического восстановления кислорода, например, 2O2+4H2O+8e-→8OH-. Следовательно, совокупная реакция имеет вид: BH4 -+2O2→2H2O+BO2 -.That is, at the
В системе топливного элемента температура топлива и воздуха, подаваемых в стопку 106 топливного элемента, сильно влияет на производительность топливного элемента. Следовательно, предусмотрен дополнительный нагревательный блок для повышения температуры топлива, подаваемого на анод 102 из топливного бака 108, и воздуха, подаваемого на катод 104 из блока 110 подачи воздуха, до определенной температуры.In a fuel cell system, the temperature of the fuel and air supplied to the stack of
Тем не менее, в такой традиционной системе топливного элемента должен быть предусмотрен дополнительный нагревательный блок для нагревания топлива и воздуха, подаваемых в стопку топливного элемента, а для приведения в действие этого нагревательного блока необходимо использовать ток, генерируемый в результате работы топливного элемента, что повышает энергопотребление.However, in such a traditional fuel cell system, an additional heating unit must be provided to heat the fuel and air supplied to the stack of fuel cell, and to drive this heating block, it is necessary to use the current generated by the operation of the fuel cell, which increases energy consumption .
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Поэтому цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить систему топливного элемента, не требующую источника питания для приведения в действие нагревательного блока за счет нагрева топлива и воздуха с использованием водорода, образующегося в результате работы стопки топливного элемента, и, тем самым, способную повышать производительность топливного элемента.Therefore, the aim of the present invention is to provide a fuel cell system that does not require a power source to drive the heating unit by heating the fuel and air using hydrogen resulting from the operation of the stack of the fuel cell, and thereby capable of increasing productivity fuel cell.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить систему топливного элемента, способную повышать производительность топливного элемента посредством увеличения температуры топлива с использованием тепла реакции, выделяющегося во времени смешения топлива, и, тем самым, не требующую нагревательного блока для увеличения температуры топлива и источника питания - для приведения этого нагревательного блока в действие.Another objective of the present invention is to provide a fuel cell system capable of increasing the performance of a fuel cell by increasing the temperature of the fuel using the heat of reaction generated during the mixing of the fuel, and thus not requiring a heating unit to increase the temperature of the fuel and the power source - to bring this heating unit into action.
Чтобы достичь этих целей, предложена система топливного элемента, содержащая: стопку топливного элемента, включающую в себя анод, катод и размещенную между ними электролитную мембрану; блок подачи топлива, соединенный с анодом стопки топливного элемента посредством линии подачи топлива, для подачи водородсодержащего топлива на анод; блок подачи воздуха, соединенный с катодом стопки топливного элемента посредством линии подачи воздуха, для подачи кислородсодержащего воздуха на катод стопки топливного элемента; и нагревательный блок для нагрева топлива, подаваемого в стопку топливного элемента, до надлежащей температуры.In order to achieve these goals, a fuel cell system is proposed comprising: a stack of a fuel cell including an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between them; a fuel supply unit connected to the anode of the stack of the fuel cell via a fuel supply line for supplying hydrogen-containing fuel to the anode; an air supply unit connected to the cathode of the fuel cell stack by means of an air supply line for supplying oxygen-containing air to the cathode of the fuel cell stack; and a heating unit for heating the fuel supplied to the stack of the fuel cell to an appropriate temperature.
Нагревательный блок подсоединен к аноду стопки топливного элемента посредством линии подачи водорода и состоит из камеры сгорания водорода для нагрева топлива и воздуха, подаваемых в стопку топливного элемента, до надлежащего уровня за счет использования водорода, образовавшегося на катоде в результате реакции.The heating unit is connected to the anode of the stack of the fuel cell via a hydrogen supply line and consists of a hydrogen combustion chamber for heating the fuel and air supplied to the stack of the fuel cell to an appropriate level due to the use of hydrogen generated at the cathode as a result of the reaction.
Камера сгорания водорода выполнена с корпусом для протекания соответственно топлива, подаваемого на анод стопки топливного элемента, и воздуха, подаваемого на катод; воздуходувным вентилятором, установленным в этом корпусе, для вдувания внешнего воздуха в корпус; и теплогенерирующим блоком, установленным в корпусе, для нагрева топлива и воздуха, которые проходят внутри корпуса, посредством генерирования тепла в результате реакции с водородом, образовавшимся на аноде стопки топливного элемента.The hydrogen combustion chamber is made with a housing for the flow of fuel, respectively, supplied to the anode of the stack of the fuel cell, and air supplied to the cathode; a blower fan installed in this housing for blowing external air into the housing; and a heat generating unit mounted in the housing for heating fuel and air that pass inside the housing by generating heat as a result of the reaction with hydrogen generated at the anode of the stack of the fuel cell.
Нагревательный блок состоит из топливного комплекта для подачи порошка топлива в топливный бак перед приведением в действие топливного элемента с тем, чтобы увеличить температуру топлива за счет использования тепла, выделяющегося при смешивании порошка топлива с водой, хранящейся в топливном баке блока подачи топлива.The heating unit consists of a fuel kit for supplying fuel powder to the fuel tank before activating the fuel cell in order to increase the temperature of the fuel by using heat generated when the fuel powder is mixed with water stored in the fuel tank of the fuel supply unit.
Топливный комплект состоит из контейнера для хранения порошка топлива; и узла открывания/закрывания, установленного на выходе из этого контейнера, для открывания выхода из контейнера во время подачи порошка топлива в топливный бак.The fuel kit consists of a container for storing fuel powder; and an opening / closing assembly installed at the outlet of the container to open the exit of the container while the fuel powder is being supplied to the fuel tank.
Нагревательный блок состоит из термоэлектрического модуля для нагрева топлива, подаваемого на анод стопки топливного элемента из топливного бака блока подачи топлива.The heating unit consists of a thermoelectric module for heating the fuel supplied to the anode of the fuel cell stack from the fuel tank of the fuel supply unit.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 представляет собой конструктивный вид системы топливного элемента в соответствии с традиционным уровнем техники.Figure 1 is a structural view of a fuel cell system in accordance with the prior art.
Фиг.2 представляет собой конструктивный вид системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.2 is a structural view of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе с частичным разрезом нагревательного блока системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a heating block of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Фиг.4 представляет собой вид в разрезе нагревательного блока системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.4 is a sectional view of a heating unit of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Фиг.5 представляет собой блок-схему, показывающую контроллер нагревательного блока системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.5 is a block diagram showing a controller of a heating unit of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Фиг.6 представляет собой вид в разрезе нагревательного блока согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.6 is a sectional view of a heating unit according to a second embodiment of the present invention.
Фиг.7 и 8 представляют собой виды в разрезе, показывающие рабочее состояние нагревательного блока согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.7 and 8 are sectional views showing an operating state of a heating unit according to a second embodiment of the present invention.
Фиг.9 представляет собой вид в разрезе, приведенном вдоль линии IX-IX на Фиг.8.Fig.9 is a view in section, shown along the line IX-IX in Fig.8.
Фиг.10 представляет собой график, показывающий процесс увеличения температуры топлива в системе топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. и10 is a graph showing a process of increasing fuel temperature in a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. and
Фиг.11 представляет собой вид в разрезе, показывающий работу нагревательного блока согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.11 is a sectional view showing an operation of a heating unit according to a third embodiment of the present invention.
Режимы осуществления предпочтительных вариантов осуществленияModes for Implementing Preferred Embodiments
Далее будет более подробно пояснена система топливного элемента согласно настоящему изобретению.Next, a fuel cell system according to the present invention will be explained in more detail.
Хотя система топливного элемента согласно настоящему изобретению может иметь множество вариантов осуществления, ниже будет пояснен наиболее предпочтительный вариант осуществления.Although the fuel cell system of the present invention may have many embodiments, the most preferred embodiment will be explained below.
Фиг.2 представляет собой конструктивный вид системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.2 is a structural view of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Система топливного элемента согласно настоящему изобретению содержит: стопку 6 топливного элемента, в которой анод 2 и катод 4 расположены в виде стопки (пакета) во множественном числе для того, чтобы генерировать электроэнергию посредством электромеханической реакции между водородом и кислородом в состоянии, когда между ними размещена электролитная мембрана; топливный бак 8 для хранения топлива, подаваемого на анод 2; блок 10 подачи воздуха для подачи кислородсодержащего воздуха на катод 4; устройство рециркуляции топлива для рециркуляции топлива, выходящего из стопки 6 топливного элемента, в топливный бак 8; и нагревательный блок 12, камеру сгорания водорода для нагревания топлива и воздуха, подаваемых в стопку 6 топливного элемента.The fuel cell system according to the present invention comprises: a stack of 6 fuel cells, in which the
В топливном баке 8 хранится водный раствор NaBH4, и при этом он соединен с анодом 2 стопки 6 топливного элемента посредством линии 14 подачи топлива. На одной стороне линии 14 подачи топлива установлен топливный насос 16 для принудительной подачи топлива, хранящегося в топливном баке 8.An aqueous solution of NaBH 4 is stored in the
Блок 10 подачи воздуха содержит: линию 18 подачи воздуха для подачи атмосферного воздуха на катод 4 стопки 8 топливного элемента; воздушный фильтр 20, установленный на впуске линии 18 подачи воздуха, для фильтрации воздуха, всасываемого в эту линию 18 подачи воздуха; воздушный насос 22, установленный на одной стороне линии 18 подачи воздуха, для создания всасывающей силы с целью всасывания внешнего воздуха; и увлажнитель 24 для увлажнения воздуха, всасываемого воздушным насосом 22. Для подачи воды в увлажнитель 24, на этом увлажнителе 24 установлен водяной бак 26.The
Когда водородсодержащее топливо и кислородсодержащий воздух, соответственно, подаются на анод 2 и катод 4 стопки 6 топливного элемента из топливного бака 8 и блока 10 подачи воздуха, в стопке 6 топливного элемента осуществляется следующая реакция с генерированием тем самым тока.When hydrogen-containing fuel and oxygen-containing air, respectively, are supplied to the
То есть, на аноде 2 осуществляется реакция электрохимического окисления BH4 -+8OH-→BO2 -+6H2O+8e-, в результате чего ионы, образовавшиеся в результате реакции окисления и восстановления, переносятся к катоду 4 через электролитную мембрану, и на катоде 4 осуществляется реакция электрохимического восстановления подаваемого воздуха 2O2+4H2O+8e-→8OH-.That is, on the
Следовательно, общая реакция выражается в следующем виде: BH4 -+2O2→2H2O+BO2 -.Therefore, the general reaction is expressed as follows: BH 4 - + 2O 2 → 2H 2 O + BO 2 - .
При осуществлении этих реакций, на аноде 2 одновременно осуществляется побочная реакция, такая как 2H2O+NaBH4→NaBO2+4H2.When these reactions are carried out, an adverse reaction is simultaneously carried out at
Устройство рециркуляции топлива включает в себя сепаратор 26 газа/жидкости для отделения топлива, выходящего после реакции на аноде 2, и воздуха на катоде 4 на газ и жидкость; линию 28 рециркуляции топлива для рециркуляции находящегося в жидком состоянии топлива, выходящего из сепаратора 26 газа/жидкости, в топливный бак 8; и рециркуляционный насос 30, установленный на линии 28 рециркуляции топлива, для принудительной подачи рециркулируемого жидкого топлива в топливный бак 8.The fuel recirculation device includes a gas / liquid separator 26 for separating the fuel exiting after the reaction at the
NaBO2+4H2, образовавшиеся в результате реакции на аноде 2 стопки 6 топливного элемента, разделяются на газ и жидкость посредством сепаратора 26 газа/жидкости. Как результат, вода и NaBO2 рециркулируются (т.е. возвращаются для повторного использования) в топливный бак 8 по линии 28 рециркуляции топлива, тогда как водород выпускается наружу. Водород, выходящий из сепаратора 26 газа/жидкости, подается в нагревательный блок 12 по линии 32 подачи водорода с тем, чтобы быть использованным в качестве источника тепла в нагревательном блоке 12.The NaBO 2 + 4H 2 resulting from the reaction on the
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе с частичным разрезом нагревательного блока системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a heating block of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Как показано на Фиг.3, нагревательный блок 12 содержит корпус 50, к которому подсоединены линия 14 подачи топлива, линия 18 подачи воздуха и линия 32 подачи водорода; воздуходувный вентилятор 52, установленный в нижней части корпуса 50, для вдувания внешнего воздуха в корпус 50; и теплогенерирующий блок 54, установленный в корпусе 50, для нагревания топлива и воздуха, которые проходят внутри корпуса 50, посредством генерирования тепла в результате реакции с водородом, подаваемым из сепаратора 26 газа/жидкости.As shown in FIG. 3, the
Корпус 50 выполнен имеющим цилиндрическую форму, с определенными диаметром и высотой, и в этом корпусе 50 с постоянным промежутком от внутренней круговой поверхности корпуса 50 установлено разделительное тело 56 цилиндрической формы, имеющее меньший диаметр, чем диаметр корпуса 50. В верхней части корпуса 50 сформировано множество выпускных отверстий 58 для выпуска наружу газа, который прошел операцию нагрева, а в нижней части корпуса 50 установлены теплогенерирующий блок 54 и воздуходувный вентилятор 52.The
Внутри разделительного тела 56 расположен топливопровод 60 в форме катушки, а снаружи разделительного тела 56 расположен воздухопровод 62 в форме катушки.Inside the
Поскольку газ, нагреваемый при прохождении через теплогенерирующий блок 54, проходит внутрь разделительного тела 56, топливопровод 60 находится в непосредственном контакте с этим газом, тем самым нагреваясь от него, а воздухопровод 62 находится в опосредованном контакте с этим газом посредством разделительного тела 56, тем самым нагреваясь от него. Следовательно, топливо в жидком состоянии и воздух в газообразном состоянии нагреваются до одинаковой температуры.Since the gas heated by passing through the
Одна концевая часть топливопровода 60 подсоединена к впуску 64 топлива, а другая его концевая часть подсоединена к выпуску 66 топлива. Одна концевая часть воздухопровода 62 подсоединена к впуску 68 воздуха, а другая его концевая часть подсоединена к выпуску 70 воздуха.One end part of the
Кроме того, впуск 64 топлива и выпуск 66 топлива соответственно соединены с линией 14 подачи топлива, а впуск 68 воздуха и выпуск 70 воздуха соответственно соединены с линией 18 подачи воздуха, которая соединяет воздушный фильтр 20 и увлажнитель 24.In addition, the
Воздуходувный вентилятор 52, установленный в нижней части корпуса 50, использует ток, генерируемый в результате работы стопки 6 топливного элемента, в качестве источника питания, вдувает внешний воздух в корпус 50 и теплогенерирующий блок 54.An
При этом источник питания, используемый в воздуходувном вентиляторе 52, слишком мал, тем самым едва сказываясь на производительности системы 6 топливного элемента.Moreover, the power source used in the
Теплогенерирующий блок 54 установлен в нижней части корпуса 50 и сформирован в виде сотовой структуры, и при этом внутри него закреплен катализатор 80. С одной стороны теплогенерирующего блока 54 установлен воспламенитель для воспламенения (не показан), и теплогенерирующий блок 54 соединен с линией 32 подачи водорода, чтобы тем самым снабжаться водородом из сепаратора 26 газа/жидкости. Теплогенерирующий блок 54 генерирует тепло посредством следующей операции. Сначала кислородсодержащий воздух, вдуваемый воздуходувным вентилятором 52, вводится в нижнюю часть теплогенерирующего блока 54, а водород подается из сепаратора 26 газа/жидкости посредством линии 32 подачи водорода. В этом состоянии в воспламенителе осуществляют воспламенение, и тем самым в теплогенерирующем блоке 54 осуществляется реакция между кислородом, водородом и катализатором. В соответствии с этим, теплогенерирующий блок генерирует тепло. При этом используемым катализатором предпочтительно является платиновый катализатор.A
Фиг.5 представляет собой блок-схему, показывающую контроллер нагревательного блока системы топливного элемента согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.5 is a block diagram showing a controller of a heating unit of a fuel cell system according to one embodiment of the present invention.
Нагревательный блок 12 оснащен контроллером для поддержания температуры нагретого воздуха и топлива на надлежащем уровне и тем самым подачи в стопку 6 топливного элемента.The
Контроллер состоит из датчика 72 температуры, установленного на одной стороне камеры сгорания водорода нагревательного блока для определения температуры камеры сгорания водорода; контроллера 76 подаваемого количества водорода, установленного на линии 32 подачи водорода, для управления количеством водорода, подаваемым в камеру сгорания водорода; и контроллера 74 для управления контроллером 76 подаваемого количества водорода согласно сигналу, поступающему из датчика 72 температуры.The controller consists of a
Далее будет пояснена работа топливного элемента, оснащенного нагревательным блоком согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.Next, operation of a fuel cell equipped with a heating unit according to one embodiment of the present invention will be explained.
Водородсодержащий NaBH4 подают на анод 2, и в то же самое время кислородсодержащий воздух подают на катод 4 с тем, чтобы они вступили в реакцию с помощью электролитной мембраны, тем самым образуя ионы. В то время как ионы претерпевают электрохимическую реакцию, тем самым образуя воду, на аноде 2 генерируются электроны и перемещаются к катоду 4, тем самым генерируя электричество.Hydrogen-containing NaBH 4 is supplied to
Это описывается подробнее далее. На аноде 2 осуществляется реакция электрохимического окисления BH4 -+8OH-→BO2 -+6H2O+8e-, а на катоде 4 осуществляется реакция электрохимического восстановления подаваемого воздуха 2O2+4H2O+8e-→8OH-.This is described in more detail below. At the
При осуществлении этих реакций на аноде 2 осуществляется побочная реакция, такая как 2H2O+NaBH4→NaBO2+4H2, в результате чего в топливе (водном растворе NaBH4) образуется водород (4H2). В соответствии с этим, образовавшийся водород выпускается с анода 2 вместе с NaBO2. При этом NaBO2 и водород, выпущенные из выпуска анода 2, проходят через сепаратор 26 газа/жидкости, тем самым разделяясь на газ и жидкость. В ходе этого процесса находящиеся в жидком состоянии вода и NaBO2 рециркулируются в топливный бак 8 посредством линии 28 рециркуляции топлива, тогда как находящийся в газообразном состоянии водород подается в нагревательный блок 12 посредством линии 42 подачи водорода. Нагревательный блок 12 использует поданный водород для того, чтобы нагреть топливо и воздух до надлежащего уровня.When these reactions are carried out, a side reaction is carried out at
То есть, когда кислородсодержащий воздух вдувается внутрь корпуса 50 посредством воздуходувного вентилятора 52, а водород, выпускаемый из сепаратора 26 газа/жидкости, подается в теплогенерирующий блок 54, водород, кислород и катализатор, установленный в теплогенерирующем блоке 54, взаимно реагируют, тем самым генерируя тепло в нагревательном блоке 12.That is, when oxygen-containing air is blown into the
За счет генерирования тепла в теплогенерирующем блоке 54 воздух, вдуваемый внутрь корпуса 50 посредством воздуходувного вентилятора 52, нагревается, и нагретый воздух проходит внутри корпуса 50, тем самым нагревая топливопровод 60 и воздухопровод 62. После этого воздух, который завершил операцию нагрева, выпускается наружу через выпускные отверстия 58.By generating heat in the
При этом воздух, нагретый при прохождении через теплогенерирующий блок 54, непосредственно нагревает топливопровод 60 и опосредованно нагревает воздухопровод 62 посредством разделительного тела 56, так что топливо в жидком состоянии, проходящее по топливопроводу 60, и воздух в газообразном состоянии, проходящий по воздухопроводу 62, имеют практически одинаковую температуру относительно друг друга и, соответственно, подаются на анод 2 и катод 4.In this case, the air heated during passage through the heat-generating
Фиг.6 представляет собой вид в разрезе нагревательного блока системы топливного элемента согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.6 is a sectional view of a heating unit of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
Нагревательный блок согласно второму варианту осуществления служит для того, чтобы увеличивать температуру топлива до надлежащего уровня за счет использования тепла реакции, выделяющегося при смешивании порошка топлива с водой, хранящейся в топливном баке 8, перед приведением в действие топливного элемента. Нагревательный блок состоит из топливного комплекта 200 для хранения порошка топлива; и лопастной мешалки 202, установленной на одной стороне топливного бака 8, для тщательного смешивания порошка топлива с водой, когда порошок топлива подается в топливный бак 8 из топливного комплекта 200.The heating unit according to the second embodiment serves to increase the temperature of the fuel to an appropriate level by using the heat of reaction generated when the fuel powder is mixed with water stored in the
Как показано на Фиг.7 и 8, топливный комплект 200 состоит из контейнера 204 для хранения порошка топлива; и узла 208 открывания/закрывания, установленного на выходе 206 из этого контейнера, для поддержания закрытого состояния в обычном режиме и открывания выхода 206 из контейнера, когда топливный комплект 200 установлен на топливном баке 8, тем самым подавая порошок топлива, содержащийся в контейнере 204, в топливный бак 8.As shown in FIGS. 7 and 8, the
Узел 208 открывания/закрывания состоит из корпуса-крышки 212, герметично установленного на выходе 206 из контейнера и оснащенного внутри седлом 210 клапана; клапанной пластины 216, соприкасающейся с седлом 210 клапана или отделенной от седла 210 клапана, для выполнения операции открывания/закрывания; упорной пластины 224, соединенной с клапанной пластиной 216 посредством соединительной тяги 218 и упирающейся в узел 220 подачи топлива, сформированный на верхней поверхности топливного бака 8, для отделения клапанной пластины 216 от седла 210 клапана; и пружины 226, установленной на упорной пластине 224 и седле 210 клапана, для обеспечения упругого усилия, с помощью которого клапанная пластина 216 прижимается к седлу 210 клапана.The opening /
Клапанная пластина 216 предпочтительно выполнена имеющей V-образную форму для того, чтобы легко прижиматься к седлу клапана 210.The
Кроме того, как показано на Фиг.9, упорная пластина 224 выполнена заодно с соединительной тягой 218 и по своей окружности снабжена множеством проникающих отверстий 228 для прохождения порошка топлива. Кроме того, пружина 226 предпочтительно выполнена в виде витой (цилиндрической) пружины, так что одна сторона пружины 226 опирается на нижнюю поверхность седла 210 клапана, а другая ее сторона опирается на верхнюю поверхность упорной пластины 224.In addition, as shown in FIG. 9, the
Узел 220 подачи топлива выступает из верхней части топливного бака 8 как цилиндрическая форма. Когда упорная пластина 224 упирается в верхнюю поверхность узла 220 подачи топлива, топливный комплект 200 открывается, подавая порошок топлива в топливный бак 8.The
Далее будет пояснена работа узла 208 открывания/закрывания. Сначала, когда корпус-крышка 212 вставляют в узел 220 подачи топлива топливного бака 8, упорная пластина 224 упирается в верхнюю поверхность узла 220 подачи топлива, тем самым перемещая соединительную тягу 218 вверх и отделяя клапанную пластину 216 от седла 210 клапана. Затем порошок топлива, содержащийся в контейнере 204, подается в топливный бак 8 через узел 220 подачи топлива, тем самым смешиваясь с водой.Next, operation of the opening /
Порошок топлива в топливном комплекте 200 представляет собой порошок, в котором NaOH и BH4 надлежащим образом смешаны друг с другом. Когда NaOH смешивается с водой, осуществляется реакция в соответствии со следующим уравнением реакции, и при этом генерируется тепло.The fuel powder in the
Уравнение реакции: NaOH+H2O→NaOH(H2O)+9~13 ккал/молReaction equation: NaOH + H 2 O → NaOH (H 2 O) + 9 ~ 13 kcal / mol
Лопастная мешалка 202 установлена с возможностью вращения на нижней стороне топливного бака 8 и соединена с приводным электродвигателем 230 для создания движущей силы на валу 232 вращения, тем самым вращаясь за счет вращения приводного электродвигателя 230 и смешивая воду, хранящуюся в топливном баке 8, с порошком NaOH и BH4, подаваемым в топливный бак 8.The
Далее будет пояснена работа системы топливного элемента согласно настоящему изобретению.Next, operation of the fuel cell system according to the present invention will be explained.
Сначала, перед приведением в действие топливного элемента, порошок NaOH и BH4 подают в топливный бак 8 с тем, чтобы приготовить водный топливный раствор. При этом вода, содержащаяся в топливном баке 8, смешивается с порошком топлива, тем самым генерируя тепло.First, before activating the fuel cell, NaOH powder and BH 4 are supplied to the
То есть, когда топливный комплект 200, где хранится порошок NaOH и BH4, устанавливают на узел 220 подачи топлива топливного бака 8, узел 208 открывания/закрывания, установленный на выходе 206 из контейнера, приводится в действие таким же самым образом, как и вышеописанный. В соответствии с этим, выход 206 из контейнера открывается с тем, чтобы подать порошок NaOH и BH4, содержащийся в контейнере 204, в топливный бак.That is, when the
Затем, как показано в уравнении реакции: NaOH+H2O→NaOH(H2O)+9~13 ккал/мол, вода вступает в реакцию с NaOH, тем самым увеличивая температуру топлива до постоянной температуры. В это время лопастная мешалка 202 вращается для того, чтобы тщательно перемешать воду с порошком NaOH и BH4.Then, as shown in the reaction equation: NaOH + H 2 O → NaOH (H 2 O) + 13 ~ 9 kcal / mol, the water reacts with NaOH, thereby increasing the oil temperature to a constant temperature. At this time, the
Операция по увеличению температуры топлива будет пояснена с помощью экспериментальных данных. Как показано на Фиг.10, в состоянии, когда вода, содержащаяся в топливном баке 8, поддерживается при температуре приблизительно 22°C, в топливный бак 8 подают порошок NaOH и BH4. В соответствии с этим, температура топлива увеличивается до приблизительно 90°C и постепенно понижается с течением времени. При этом оптимальная температура топлива составляет 60°C~80°C, так что систему топливного элемента приводят в действие при температуре приблизительно 70°C, подавая таким образом топливо в стопку 6 топливного элемента. Как показано на Фиг.10, по истечении приблизительно 15 минут после того, как порошок NaOH и BH4 был подан в топливный бак 8, температура топлива достигает 70°C. Поэтому предпочтительно приводить в действие топливный элемент через приблизительно 15 минут после того, как порошок NaOH и BH4 подан в топливный бак 8.The operation to increase the temperature of the fuel will be explained using experimental data. As shown in FIG. 10, in a state where the water contained in the
Когда вышеозначенный процесс увеличения температуры топлива завершен, приводят в действие топливный насос 16 с тем, чтобы подать топливо из топливного бака 8 на анод 2, и в то же время приводят в действие воздушный насос 22 с тем, чтобы подать воздух из блока подачи воздуха на катод 4. После этого топливо и воздух вступают в реакцию с помощью электролитной мембраны с образованием тем самым ионов. В то время как ионы претерпевают электрохимическую реакцию с образованием тем самым воды, на аноде 2 генерируются электроны и перемещаются к катоду 4, тем самым генерируя электричество.When the above-mentioned process of increasing the temperature of the fuel is completed, the fuel pump 16 is activated in order to supply fuel from the
Это будет пояснено подробнее далее. На аноде 2 осуществляется реакция электрохимического окисления BH4 -+8OH-→BO2 -+6H2O+8e-, а на катоде 4 осуществляется реакция электрохимического восстановления подаваемого воздуха 2O2+4H2O+8e-→8OH-.This will be explained in more detail below. At the
Топливо, которое завершило упомянутый процесс, выпускается в сепаратор 26 газа/жидкости, и сепаратор 26 газа/жидкости отделяет газ от жидкости с тем, чтобы выпустить газ наружу и рециркулировать жидкое топливо в топливный бак 8 через линию 28 рециркуляции топлива.The fuel that completed the above process is discharged into the gas / liquid separator 26, and the gas / liquid separator 26 separates the gas from the liquid in order to let the gas out and recirculate the liquid fuel into the
При этом, поскольку температура топлива, выпускаемого после реакции в стопке 6 топливного элемента, была увеличена, температура топлива, рециркулируемого в топливный бак 8, сохраняет надлежащий уровень. Следовательно, когда топливный элемент работает, температура топлива поддерживается на надлежащем уровне.Moreover, since the temperature of the fuel discharged after the reaction in the
Фиг.11 представляет собой вид в разрезе, показывающий нагревательный блок системы топливного элемента согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.11 is a sectional view showing a heating unit of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
Нагревательный элемент согласно третьему варианту осуществления состоит из термоэлектрического модуля 250, установленного на линии 14 подачи топлива и линии 28 рециркуляции топлива, для нагрева топлива, подаваемого в стопку 6 топливного элемента из топливного бака 8, и охлаждения топлива, рециркулируемого в топливный бак 8 из стопки 6 топливного элемента.The heating element according to the third embodiment consists of a
На линии 14 подачи топлива установлен нагревательный контейнер 252 для нагрева проходящего топлива, подаваемого в стопку 6 топливного элемента, посредством операции испускания тепла термоэлектрическим модулем 250, а на линии 28 рециркуляции топлива установлен охлаждающий контейнер 254 для охлаждения проходящего топлива, рециркулируемого в топливный бак 8, посредством операции поглощения тепла термоэлектрическим модулем 250.On the
Кроме того, на линии 28 рециркуляции топлива между охлаждающим контейнером 254 и топливным баком 8 установлен топливный фильтр 256 для удаления NaBO2, кристаллизовавшегося при прохождении через охлаждающий контейнер 254.In addition, on the
В стопке 6 топливного элемента постоянно осуществляется реакция, упомянутая в первом варианте осуществления, и одновременно на аноде 2 осуществляется такая реакция, как 2H2O+NaBH4→NaBO2+4H2.In the
NaBO2, выпускаемый из стопки 6 топливного элемента, растворяется при постоянной высокой температуре и кристаллизуется при постоянной низкой температуре, таким образом блокируя линию 28 рециркуляции топлива или линию 14 подачи топлива. Чтобы не допустить этого, используют операцию поглощения тепла термоэлектрическим модулем с тем, чтобы удалить NaBO2 до того, как он возвращается в топливный бак 8.NaBO 2 discharged from the
То есть, когда топливо, выпускаемое из стопки 6 топливного элемента, охлаждается с использованием операции поглощения тепла термоэлектрическим модулем 250, NaBO2 кристаллизуется, и кристаллизованный BO2 - отфильтровывают с помощью топливного фильтра 256.That is, when the fuel discharged from the
Термоэлектрический модуль 250 использует электротермический эффект Пельтье и содержит: высокотемпературную керамическую плату 258, прикрепленную к нагревательному контейнеру 252; низкотемпературную керамическую плату 260, прикрепленную к охлаждающему контейнеру 254; первый электрод 262, который установлен на высокотемпературной керамической плате 258 и к которому подводят ток; второй электрод 264, установленный на низкотемпературной керамической плате 260; и термоэлектрический полупроводник 266 n/p-типа, вставленный с совмещением между первым электродом 262 и вторым электродом 264. Когда к термоэлектрическому полупроводнику 266 n/p-типа подводят ток, на обеих поверхностях модуля генерируется разность температур посредством термоэлектрического эффекта, чтобы таким образом вызвать операцию испускания тепла через высокотемпературную керамическую плату 258 и вызвать операцию поглощения тепла через низкотемпературную керамическую плату 260.The
Далее будет пояснена работа системы топливного элемента согласно третьему варианту осуществления.Next, operation of the fuel cell system according to the third embodiment will be explained.
Если к термоэлектрическому модулю 250 подводят ток, когда топливо подается на анод 2 стопки топливного элемента посредством линии 14 подачи топлива из топливного бака 8, вызывается операция испускания тепла через высокотемпературную керамическую плату 258 термоэлектрического модуля 250 с тем, чтобы нагревать нагревательный контейнер 252. В соответствии с этим топливо, которое проходит через нагревательный контейнер 252, нагревается до надлежащего уровня с тем, чтобы быть поданным в стопку 6 топливного элемента.If a current is supplied to the
Кроме того, когда топливо, выпускаемое из стопки 6 топливного элемента после реакции, вводится в охлаждающий контейнер 254 посредством линии 28 рециркуляции топлива, охлаждающий контейнер 254 охлаждается через низкотемпературную керамическую плату 260 посредством операции поглощения тепла термоэлектрическим модулем 250. Затем топливо, которое проходит через охлаждающий контейнер 254, охлаждается, так что содержащийся в топливе NaBO2 кристаллизуется, и кристаллы BO2 - отфильтровываются посредством топливного фильтра 256.In addition, when the fuel discharged from the stack of
В системе топливного элемента согласно настоящему изобретению топливо и воздух, подаваемые в стопку топливного элемента, нагреваются за счет использования водорода, образовавшегося на аноде. В соответствии с этим, не требуется дополнительный источник питания для нагревания топлива и воздуха, что повышает производительность системы топливного элемента.In the fuel cell system of the present invention, fuel and air supplied to a stack of a fuel cell are heated by using hydrogen generated at the anode. Accordingly, an additional power source is not required for heating the fuel and air, which improves the performance of the fuel cell system.
Кроме того, в системе топливного элемента согласно настоящему изобретению топливо подается в стопку топливного элемента в состоянии, когда температура топлива увеличена до надлежащего уровня, что повышает производительность топливного элемента.In addition, in the fuel cell system of the present invention, fuel is supplied to the stack of the fuel cell in a state where the fuel temperature is increased to an appropriate level, which improves the performance of the fuel cell.
Помимо этого, согласно настоящему изобретению NaBO2, содержащийся в топливе, возвращаемом для повторного использования в топливный бак из стопки топливного элемента, удаляется, чтобы тем самым не допустить такого явления, когда линия подачи топлива или линия рециркуляции топлива блокируются, и чтобы обеспечить бесперебойную работу по подаче топлива и рециркуляции топлива, тем самым повышая надежность топливного элемента.In addition, according to the present invention, the NaBO 2 contained in the fuel returned for reuse in the fuel tank from the fuel cell stack is removed so as to prevent a phenomenon where the fuel supply line or the fuel recirculation line are blocked, and to ensure trouble-free operation fuel supply and fuel recirculation, thereby increasing the reliability of the fuel cell.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что в настоящем изобретении могут быть выполнены различные модификации и вариации без отступления от сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает все модификации и вариации этого изобретения, при условии, что они находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Thus, it is intended that the present invention cover all modifications and variations of this invention provided that they fall within the scope of the appended claims and their equivalents.
Claims (31)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127452/09A RU2316084C1 (en) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127452/09A RU2316084C1 (en) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | Fuel cell system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2316084C1 true RU2316084C1 (en) | 2008-01-27 |
Family
ID=39110144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006127452/09A RU2316084C1 (en) | 2003-12-30 | 2003-12-30 | Fuel cell system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2316084C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008023945A1 (en) | 2008-05-16 | 2009-11-19 | Evgueni, Levotmann | Converting heat into electrical energy during the continuous application of heat on working fluid, which occurs from the electrochemical reaction in the fuel cell using water-soluble electrolytes and bromine as oxygen carrier |
| CN110053495A (en) * | 2019-05-09 | 2019-07-26 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | Hydrogen fuel cell dynamical system and industrial vehicle |
-
2003
- 2003-12-30 RU RU2006127452/09A patent/RU2316084C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008023945A1 (en) | 2008-05-16 | 2009-11-19 | Evgueni, Levotmann | Converting heat into electrical energy during the continuous application of heat on working fluid, which occurs from the electrochemical reaction in the fuel cell using water-soluble electrolytes and bromine as oxygen carrier |
| CN110053495A (en) * | 2019-05-09 | 2019-07-26 | 深圳国氢新能源科技有限公司 | Hydrogen fuel cell dynamical system and industrial vehicle |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7201782B2 (en) | Gas generation system | |
| US7622209B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell starting method | |
| JP4081207B2 (en) | Fuel cell system | |
| JP2008066200A (en) | Fuel cell | |
| JP4473526B2 (en) | Fuel cell operating method and system | |
| JP2004327360A (en) | Fuel cell system | |
| EP1396472A2 (en) | Hydrogen generating apparatus | |
| JP2010027443A (en) | Fuel cell system | |
| RU2316084C1 (en) | Fuel cell system | |
| US20060292411A1 (en) | Fuel cell system | |
| US8900762B2 (en) | Fuel cell with recovering unit and method for driving the same | |
| JP2006093157A (en) | Solid polymer fuel cell system | |
| KR101666200B1 (en) | Dmfc system for starting in low temperature | |
| KR100748548B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP4719407B2 (en) | Fuel cell cogeneration system | |
| JP2005203355A (en) | Fuel cell system and method of generating electric power in fuel cell system | |
| KR100802624B1 (en) | Fuel cell system and control method thereof | |
| KR102550359B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP5621577B2 (en) | Fuel cell system | |
| KR100724396B1 (en) | Fuel sell system and control method thereof | |
| KR101126205B1 (en) | Fuel cell system | |
| JP2013200942A (en) | Solid oxide fuel battery | |
| JP2005207395A (en) | Scroll type compressor | |
| JP2015225731A (en) | Fuel cell power generation device | |
| JPH0244653A (en) | Electrolyte concentration controller of liquid electrolyte fuel cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091231 |