СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК H01M8/06 H01M8/04 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе топливных элементов и, в частности, к системе топливных элементов, способной повышать производительность топливного элемента за счет ускорения реакции в топливном элементе.

Уровень техники

В общем случае, система топливных элементов предложена в порядке замещения ископаемого топлива и в отличие от базового элемента (второго элемента) она подает топливо (водород или углеводород) на анод и подает кислород на катод. Таким образом, в системе топливных элементов идет электрохимическая реакция между водородом и кислородом без реакции горения (реакции окисления) топлива и, таким образом, непосредственно преобразует разность энергий между состояниями до и после реакции в электрическую энергию.

На фиг.1 представлена известная система топливных элементов, которая содержит стопку 106 топливных элементов, в которой анод 102 и катод 104 уложены в стопку, состоящую из множества элементов, а электролитическая мембрана (не показана) размещена между ними для генерации электрической энергии посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом, топливный бак 108 для подачи топлива на анод 102 и блок 110 подачи окислителя для подачи окислителя на катод 104.

Топливный бак 108 и анод 102 стопки 106 топливных элементов соединены друг с другом линией 112 подачи топлива, при этом топливный насос 114 для нагнетания топлива, хранящегося в топливном баке 108, установлен на линии 112 подачи топлива.

В качестве окислителя, подаваемого на катод 104, используется кислородосодержащий воздух. В соответствии с этим блок 110 подачи окислителя содержит воздушный компрессор 118 для подачи воздуха на катод 104 стопки 106 топливных элементов, воздушный фильтр 120 для фильтрации воздуха, подаваемого на стопку топливных элементов 106, и увлажнитель 122 для увлажнения воздуха, подаваемого на стопку 106 топливных элементов.

Процессы генерации электрической энергии за счет подачи топлива на традиционный топливный элемент поясняются ниже.

Когда топливный насос 114 включается посредством управляющего сигнала контроллера (не показан), топливо, хранящееся в топливном баке 108, нагнетается и подается на анод 102 стопки 106 топливных элементов. Кроме того, когда включается воздушный компрессор 118, воздух, профильтрованный воздушным фильтром 120, проходит через увлажнитель 122 для увлажнения и подается на катод 104 стопки 106 топливных элементов.

После подачи топлива и воздуха на стопку 106 топливных элементов на аноде 102 осуществляется электрохимическое окисление водорода, а на катоде 104 осуществляется электрохимическое восстановление кислорода, когда электролитическая мембрана (не показана) помещена между анодом 102 и катодом 104. При этом электричество генерируется вследствие перемещения генерируемых электронов и подается на нагрузку 120.

Таким образом, на аноде 102 осуществляется электрохимическое окисление водорода, например, 2H₂+4OH^-→4H₂O +4e^-, так что, ион, генерируемый на аноде в реакции окисления/восстановления, переходит на катод 4 через электролитическую мембрану. Кроме того, на катоде 4 происходит электрохимическое восстановление подаваемого кислорода, например, O₂+4e^-+2H₂O→4OH^-, и генерируемый ток подается на нагрузку 120.

В традиционной системе топливных элементов, кислородосодержащий воздух используется в качестве окислителя для генерации 4 электронов на единичную реакцию. Соответственно, скорость реакции в стопке топливных элементов сравнительно низка, что снижает производительность топливного элемента.

Сущностьизобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание системы топливных элементов, способной обеспечивать сравнительно высокую плотность тока за счет подачи озона на катод стопки топливных элементов и, таким образом, ускорения реакции в стопке топливных элементов.

Для решения этих задач, предусмотрена система топливных элементов, содержащая стопку топливных элементов, содержащую анод, катод и электролитическую мембрану, расположенную между ними, блок подачи топлива, соединенный с анодом стопки топливных элементов линией подачи топлива, для подачи топлива на анод и блок подачи окислителя, присоединенный к катоду стопки топливных элементов посредством линии подачи воздуха, для добавления озона к кислородосодержащему воздуху и, таким образом, для подачи на катод стопки топливных элементов.

Краткоеописаниечертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 - изображает известную схему системы топливных элементов;

Фиг.2 - схему системы топливных элементов согласно изобретению;

Фиг.3 - схему системы топливных элементов согласно второму варианту осуществления изобретения;

Фиг.4 - схему системы топливных элементов согласно третьему варианту осуществления изобретения;

Фиг.5 - схему системы топливных элементов согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Система топливных элементов согласно настоящему изобретению имеет несколько вариантов осуществления, но ниже описаны наиболее предпочтительные варианты осуществления.

На фиг.2 показана схема системы топливных элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Система топливных элементов согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения содержит стопку топливных элементов 10, в которой анод 6 и катод 8 состоят из множества элементов, чтобы генерировать электрическую энергию посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом в состоянии, когда электролитическая мембрана (не показана) размещена между ними. Система содержит блок подачи топлива, подключенный линией подачи топлива для подачи топлива на анод 6, и блок 14 подачи окислителя для добавления озона к кислородосодержащему воздуху для подачи на катод 8 стопки топливных элементов.

Блок подачи топлива содержит топливный бак 12 для хранения топлива, линию 16 подачи топлива, соединяющую между собой топливный бак 12 и анод 6 стопки топливных элементов 10, и топливный насос 18, установленный на одной стороне линии подачи топлива 16 для нагнетания топлива, хранящегося в топливном баке 12.

Блок 14 подачи окислителя содержит линию 20 подачи воздуха для подачи атмосферного воздуха на катод 8 стопки 10 топливных элементов, воздушный фильтр 22, установленный на входе линии 20 подачи воздуха для фильтрации воздуха, всасываемого в линию 20 подачи воздуха, воздушный компрессор 24, установленный на одной стороне линии подачи воздуха 20 для генерации всасывающей силы для всасывания внешнего воздуха, увлажнитель 26 для увлажнения воздуха, всасываемого воздушным компрессором 24, и озоновый аппарат 28 для добавления озона в воздух, подаваемый на катод 8 стопки топливных элементов 10.

Озоновый аппарат 28 соединен с линией 20 подачи воздуха, которая соединяет увлажнитель 26 и катод 8 стопки 10 топливных элементов и, таким образом, добавляет озон к воздуху, увлажненному увлажнителем 26.

Ниже будет объяснена работа системы топливных элементов согласно первому варианту осуществления.

Прежде всего, когда топливный насос 18 включается, топливо, хранящееся в топливном баке 12, подается на анод 6 стопки 10 топливных элементов через линию подачи топлива 16. Затем, когда воздушный компрессор 24 включается, внешний воздух проходит через воздушный фильтр 22 для фильтрации, проходит через увлажнитель 26 для увлажнения и подается на анод 6 стопки 10 топливных элементов. При этом озон, генерируемый озоновым аппаратом 28, добавляется к увлажненному воздуху и, таким образом, подается на анод 6.

Ниже подробно поясняется реакция в стопке топливных элементов. В случае топливного элемента со щелочным электролитом на аноде 6 происходит реакция электрохимического окисления, например, 3H₂+6OH^-→6H₂O+6e^-, а на катоде 8 происходит реакция электрохимического восстановления, например, O₃+6e^-+3H₂O→6OH^- для генерации тока. Генерируемый ток подается на нагрузку 30.

Кроме того, в случае топливного элемента со щелочным электролитом на аноде 6 происходит реакция электрохимического окисления, например, 3H₂+6OH^-→6H₂O+6e^-, а на катоде 8 происходит реакция электрохимического восстановления, например, O₃+6e^-+3H₂O→6OH^- генерируется для генерации тока. Генерируемый ток подается на нагрузку 30.

В системе топливных элементов согласно первому варианту осуществления генерируется 6 электронов на единичную реакцию для получения сравнительно высокой плотности тока.

На фиг.3 показана схема системы топливных элементов согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Система топливных элементов согласно второму варианту осуществления содержит стопку 10 топливных элементов, в которой анод 6 и катод 8 содержат множество элементов, чтобы генерировать электрическую энергию посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом, когда электролитическая мембрана (не показана) размещена между ними, топливный бак 12 для хранения топлива, подаваемого на анод 6, и блок 50 подачи окислителя для подачи озона на катод 8 стопки топливных элементов.

Блок 50 подачи окислителя содержит озоновый аппарат 52 для генерации озона, линию 56 подачи озона, соединяющую между собой озоновый аппарат 52 и катод 8 стопки 10 топливных элементов для подачи озона на катод 8 стопки топливных элементов 10, увлажнитель 54, установленный на линии 56 подачи озона для увлажнения озона, генерируемого озоновым аппаратом 52.

Работа системы топливных элементов согласно второму варианту осуществления происходит следующим образом.

Сначала топливный насос 18 включается и, топливо, хранящееся в топливном баке 12, подается на анод 6 стопки 10 топливных элементов по линии 16 подачи топлива. Затем включается озоновый аппарат 52 для генерации озона, и генерируемый озон проходит через увлажнитель 54 для увлажнения и подается на анод 8.

Уравнение реакции в стопке 10 топливных элементов такое же, как уравнение реакции в первом варианте осуществления.

На фиг.4 показана схема системы топливных элементов согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

Система топливных элементов согласно третьему варианту содержит стопку 10 топливных элементов, в которой анод 6 и катод 8 содержат множество элементов, когда электролитическая мембрана (не показана) размещена между ними, топливный бак 12 для хранения топлива, подаваемого на катод 8, блок 60 подачи окислителя для подачи кислородосодержащего воздуха на катод 8, блок 72 рециркуляции топлива для рециркуляции топлива, выходящего из стопки 10 топливных элементов в топливный бак 12, и озоновый аппарат 70 для добавления озона в воздух, подаваемый на катод 8 стопки 10 топливных элементов.

Блок 60 подачи окислителя содержит линию 62 подачи воздуха для подачи атмосферного воздуха на катод 8 стопки 10 топливных элементов, воздушный фильтр 64 для фильтрации воздуха, всасываемого через линию 62 подачи воздуха, воздушный компрессор 68, установленный на одной стороне линии подачи воздуха 62 для генерации всасывающей силы для всасывания внешнего воздуха, и увлажнитель 66 для увлажнения воздуха, всасываемого воздушным компрессором 68.

Озоновый аппарат 70 установлен на линии 62 подачи воздуха, которая соединяет увлажнитель 66 и катод 8 стопки 10 топливных элементов и, таким образом, добавляет озон в воздух, увлажненный благодаря прохождению через увлажнитель 66.

Блок 72 рециркуляции топлива содержит газожидкостный сепаратор 72 для отделения газа от жидкости в топливе, выходящем от анода 6 и катода 8 после реакции, линию 76 рециркуляции для рециркуляции жидкого топлива, выходящего из газожидкостного сепаратора 72 в топливный бак 12, и насос 74 рециркуляции, установленный на линии 76 рециркуляции для нагнетания рециркулирующего жидкого топлива в топливный бак 12.

Работа системы топливных элементов согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения осуществляется следующим образом.

Когда топливный насос 18 включается, топливо, хранящееся в топливном баке 12, подается на анод 6 стопки 10 топливных элементов через линию 16 подачи топлива. Кроме того, когда воздушный компрессор 68 включается, внешний воздух проходит через воздушный фильтр 64 для фильтрации и проходит через увлажнитель 66 для увлажнения. Озон, генерируемый озоновым аппаратом 70, добавляется к увлажненному воздуху, и увлажненный воздух подается на катод 8 стопки 10 топливных элементов.

Затем, топливо, выходящее из стопки 10 топливных элементов после реакции, разделяется на газ и жидкость в газожидкостном сепараторе 30, и жидкое топливо подается в топливный бак 12 по линии 76 рециркуляции топлива.

На фиг.5 показана схема системы топливных элементов согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

Система топливных элементов согласно четвертому варианту осуществления имеет такую же конструкцию, что и система топливных элементов, объясненная в третьем варианте осуществления за исключением блока 80 подачи окислителя.

Блок 80 подачи окислителя согласно четвертому варианту осуществления содержит озоновый аппарат 82 для генерации озона, линию 84 подачи озона для соединения озонового аппарата 82 и катода 8 стопки 10 топливных элементов и увлажнитель 86, установленный на линии 84 подачи озона для увлажнения озона генерируемый озоновым аппаратом 82.

В системе топливных элементов согласно четвертому варианту осуществления увлажненный озон непосредственно подается на катод 8 стопки 10 топливных элементов для осуществления реакции, и топливо, выходящее из стопки 10 топливных элементов после рециркуляции, подается в топливный бак 12 блоком 72 рециркуляции топлива.

Согласно системе топливных элементов настоящего изобретения воздух с добавлением озона или озон подается на катод стопки топливных элементов для ускорения реакции в стопке топливных элементов и для достижения высокой плотности тока, и, таким образом, для повышения производительности топливного элемента.

Специалистам в данной области очевидно, что настоящее изобретение допускает различные вариации и модификации без отхода от сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает модификации и вариации этого изобретения при условии, что они укладываются в объем прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к системе топливных элементов, способной повышать производительность топливных элементов за счет ускорения реакции. Техническим результатом изобретения является повышение удельных характеристик за счет подачи озона на катод стопки топливных элементов. Согласно изобретению система топливных элементов содержит стопку топливных элементов, включающую в себя анод, катод и электролитическую мембрану, размещенную между ними, топливный бак для подачи водородосодержащего топлива на анод стопки топливных элементов и блок подачи окислителя для добавления озона к кислородосодержащему воздуху и, таким образом, для подачи на катод стопки топливных элементов. Соответственно, озон подается на катод стопки топливных элементов для ускорения реакции в стопке топливных элементов и, таким образом, для достижения сравнительно высокой плотности тока. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система топливных элементов, содержащая стопку топливных элементов, включающую в себя анод, катод и электролитическую мембрану, расположенную между ними, блок подачи топлива, соединенный с анодом стопки топливных элементов линией подачи топлива для подачи топлива на анод, и блок подачи окислителя, присоединенный к катоду стопки топливных элементов линией подачи воздуха для добавления озона к кислородосодержащему воздуху и, таким образом, для подачи на катод стопки топливных элементов, блок рециркуляции топлива, предназначенный для возврата топлива, выходящего из стопки топливных элементов в топливный бак.2. Система топливных элементов по п.1, отличающаяся тем, что блок подачи окислителя содержит увлажнитель для увлажнения воздуха, всасываемого через линию подачи воздуха, и озоновый аппарат для генерации озона, добавляемого к воздуху, подаваемому на катод.3. Система топливных элементов по п.2, отличающаяся тем, что озоновый аппарат установлен на линии подачи воздуха, которая соединяет увлажнитель и катод стопки топливных элементов для добавления озона к увлажненному воздуху.4. Система топливных элементов, содержащая стопку топливных элементов, включающую в себя анод, катод и электролитическую мембрану, расположенную между ними, блок подачи топлива, присоединенный к стопке топливных элементов линией подачи топлива для подачи топлива на анод, и блок подачи окислителя, присоединенный к катоду стопки топливных элементов линией подачи озона для подачи озона на катод, блок рециркуляции топлива, предназначенный для возврата топлива, выходящего из стопки топливных элементов в топливный бак.5. Система топливных элементов по п.4, отличающаяся тем, что блок подачи окислителя содержит озоновый аппарат для генерации озона и увлажнитель, установленный на линии подачи озона, которая соединяет озоновый аппарат и стопку топливных элементов для увлажнения озона, генерируемого озоновым аппаратом.