СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ Российский патент 2014 года по МПК H01M8/24 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к системе топливных элементов, включающей в себя батарею топливных элементов, в которую уложены множество единичных элементов, и относится, в частности, к системе топливных элементов и способу ее функционирования, которые имеют отличную функцию выпуска, получающихся в результате реакции воды и примесных газов, содержащихся в отходящем анодном газе батареи топливных элементов.

Уровень техники

[0002] Система топливных элементов, описанная, например, в патентном документе 1, является традиционной системой топливных элементов, имеющей функцию выпуска получающихся в результате реакции воды и газов. Система топливных элементов из патентного документа 1 выполнена с возможностью устанавливаться в транспортное средство и имеет такую конструкцию, что отходящий анодный газ из батареи топливных элементов вводится в газожидкостный сепаратор через путь протекания отходящего газа. Отходящий анодный газ содержит непрореагировавший водород и получающуюся в результате реакции воду. Газожидкостный сепаратор содержит ионообменный фильтр, который вертикально разделяет внутреннее пространство газожидкостного сепаратора, и камеру под ионообменным фильтром для удерживания определенного количества получающейся в результате реакции воды.

[0003] Кроме того, система топливных элементов осуществляет циркуляцию водорода, отделенного посредством газожидкостного сепаратора, в систему подачи водорода батареи топливных элементов, а также сливает получающуюся в результате реакции воду, отделенную посредством газожидкостного сепаратора, наружу, используя давление и скорость потока водорода. Таким образом, предотвращается протекание получающейся в результате реакции воды в путь протекания отходящего газа, когда транспортное средство наклоняется.

Перечень ссылок

Патентная литература

[0004] Патентный документ 1: публикация японской патентной заявки № 2009-123517

Сущность изобретения

Технические проблемы

[0005] Между тем, в традиционной системе топливных элементов, которая описана выше, получающаяся в результате реакции вода, выпускаемая из батареи топливных элементов, возможно, может протекать назад в путь протекания отходящего газа прежде, чем достигнет газожидкостного сепаратора, если скорость циркуляции водорода низкая. По этой причине эти компоненты необходимо размещать таким способом, чтобы обеспечивать достаточный вертикальный зазор между батареей топливных элементов и путем протекания отходящего газа и газожидкостным сепаратором.

[0006] Это приводит к проблемам, заключающимся в том, что, если традиционная система топливных элементов должна быть установлена в транспортное средство, имеющее небольшое, ограниченное пространство под своим днищем, размещение системы топливных элементов под днищем может быть чрезвычайно затруднительным, и что, если вертикальный зазор между компонентами недостаточно большой, дренаж может быть затруднен, когда транспортное средство наклоняется. Существует необходимость в разрешении этих проблем.

[0007] Следует отметить, что скорость циркуляции водорода зависит от выходной мощности приводного устройства, такого как циркуляционный насос. Таким образом, чтобы уменьшать эту скорость циркуляции, также необходимо уменьшать выходную мощность приводного устройства, и, следовательно, достигается преимущество в уменьшении размера и веса конструкции системы и уменьшении потребления мощности.

[0008] Настоящее изобретение создано, принимая во внимание вышеописанные традиционные проблемы, и его целью является предоставление системы топливных элементов и способа ее функционирования, которые могут достигать отличной возможности монтажа под днищем транспортного средства и хорошей функции водоотведения даже в случае системы с низкой скоростью циркуляции водорода.

Решение задач

[0009] Аспектом настоящего изобретения является система топливных элементов, включающая в себя батарею топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов горизонтально и имеющую в пакетированном корпусе коллекторы, через которые подаются и выпускаются химически активные газы в и из каждого из единичных элементов. Эта система топливных элементов включает в себя дренажные пути, проходящие от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно.

[0010] Другим аспектом настоящего изобретения является способ функционирования системы топливных элементов. Этот способ включает в себя этапы: размещения батареи топливных элементов, сформированной посредством укладки в пакет множества единичных элементов в таком направлении, что направление укладки в пакет единичных элементов является горизонтальным; предоставления, в батарее топливных элементов, коллекторов, через которые необходимо подавать и выпускать химически активные газы в и из каждого из единичных элементов; предоставления дренажных путей, проходящих от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно; предоставления, в дренажных путях на обеих торцевых сторонах, буферов для жидкой воды в позициях выше по потоку от выпускных портов наружу, и регулирующих клапанов, которые открывают и закрывают выпускные порты наружу соответственно, при этом буферы для жидкой воды предназначены для того, чтобы удерживать получающуюся в результате реакции воду; и дополнительного предоставления пути протекания отходящего газа, который сообщается по меньшей мере с одним из дренажных путей на обеих торцевых сторонах, и спускного клапана, который выпускает примесный газ из пути протекания отходящего газа. Кроме того, способ включает в себя этап: открытия двух регулирующих клапанов на период времени, требуемый, чтобы опорожнить буферы для жидкой воды, и открытия спускного клапана, если объем примесного газа, выпускаемого из регулирующих клапанов, меньше, чем объем примесного газа, сформированного в батарее топливных элементов.

Краткое описание чертежей

[0011] Фиг.1 - пояснительная схема, показывающая вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.2 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.3 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.4 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.5 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.6 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.7 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.8 - пояснительная схема, показывающая другой вариант системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.9 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов (часть (A)), и временная диаграмма, показывающая операции клапанов (часть (B)), согласно варианту осуществления способа функционирования системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.10 - график, показывающий соотношение между сгенерированным током и объемом производимой воды на стороне анода (часть (A)), и график, показывающий соотношение между сгенерированным током и примесями, протекающими в сторону анода (часть (B)).

Фиг.11 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов (часть (A)), временная диаграмма, показывающая операции клапанов в состоянии, когда батарея топливных элементов, показанная в части (A), наклонена вниз своей правой стороной (часть (B)), и временная диаграмма, показывающая операции клапанов в состоянии, когда батарея топливных элементов, показанная в части (A), наклонена вниз своей левой стороной (часть (C)), согласно другому варианту осуществления способа функционирования системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.12 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов (часть (A)), временная диаграмма, показывающая операции клапанов в состоянии, когда батарея топливных элементов, показанная в части (A), наклонена вниз своей правой стороной (часть (B)), и временная диаграмма, показывающая операции клапанов в состоянии, когда батарея топливных элементов, показанная в части (A), наклонена вниз своей левой стороной (часть (C)), согласно другому варианту осуществления способа функционирования системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.13 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов (часть (A)), и временная диаграмма, показывающая операции клапанов и изменения в расходе воздуха для разбавления (часть (B)), согласно другому варианту осуществления способа функционирования системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.14 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов типа с циркуляцией анодного газа в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.15 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов типа с циркуляцией анодного газа в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.16 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов типа без циркуляции анодного газа в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.17 - пояснительная схема, показывающая систему топливных элементов типа без циркуляции анодного газа в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.18 - пояснительный вид сверху (часть (A)) и пояснительный вид сбоку (часть (B)), показывающие состояние в рабочем положении, в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.19 - пояснительный вид сверху (часть (A)) и пояснительный вид сбоку (часть (B)), показывающие состояние в рабочем положении, в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Фиг.20 - пояснительный вид сверху (часть (A)) и пояснительный вид сбоку (часть (B)), показывающие состояние в рабочем положении, в качестве другого варианта осуществления системы топливных элементов настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

[0012] Система топливных элементов, показная на фиг.1, включает в себя батарею S топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов C горизонтально и имеющую, в многослойном корпусе, коллекторы (M), через которые необходимо подавать и выпускать химически активные газы в и из каждого единичного элемента C. Кроме того, система топливных элементов включает в себя дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов в направлении укладки единичных элементов соответственно.

[0013] Кроме того, система топливных элементов включает в себя блок 2, который подает в батарею S топливных элементов анодный газ (водород), служащий в качестве одного химически активного газа, и блок 3, который подает в батарею S топливного элемента катодный газ (воздух), служащий в качестве другого химически активного газа. Система топливных элементов также включает в себя жидкостные устройства, такие как клапаны и насосы, и устройства управления, которые не показаны в данном документе.

[0014] Каждый единичный элемент C является известным единичным элементом, включающим в себя: сборку мембранных электродов (MEA), в которой мембрана электролита удерживается между топливным электродом (анодом) и воздушным электродом (катодом); и два разделителя, которые чередуют слои этой сборки мембранных электродов. Следует отметить, что сборка мембранных электродов включает в себя электроды, имеющие газодиффузионные слои на внешних сторонах топливного электрода и воздушного электрода.

[0015] Кроме того, каждый единичный элемент C имеет коллекторные отверстия для подачи и выпуска, так что анодный газ и катодный газ могут протекать. В уложенном в пакет состоянии коллекторные отверстия сообщаются друг с другом, чтобы формировать свои соответствующие коллекторы. Дополнительно каждый единичный элемент C снабжен коллекторным отверстием для подачи и выпуска охлаждающей жидкости в некоторых случаях.

[0016] Посредством укладки в пакет множества единичных элементов C горизонтально батарея S топливных элементов формирует, в многослойном корпусе, коллектор для подачи анодного газа и выпуска отходящего анодного газа и коллектор для подачи катодного газа и выпуска отходящего катодного газа. Фиг.1 показывает коллектор M для выпуска отходящего анодного газа. Отходящий анодный газ содержит водород, оставшийся непрореагировавшим, примесные газы, такие как азот, прошедшие через мембрану электролита, получающуюся в результате реакции воду и т.д.

[0017] Кроме того, батарея S топливных элементов включает в себя торцевые пластины 4A и 4B на обоих своих торцах в направлении укладки в пакет единичных элементов. Торцевые пластины 4A и 4B прикладывают определенное давление к каждому единичному элементу C в направлении укладки в пакет, чтобы поддерживать это состояние.

[0018] Как упомянуто ранее, вышеописанная система топливных элементов включает в себя дренажные пути 1A и 1B, проходящие вниз от коллектора M выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов соответственно. Эти дренажные пути 1A и 1B включают в себя дренажные порты, сформированные на торцевых пластинах 4A и 4B батареи S топливных элементов, и трубки, соединенные с ними. Кроме того, в показанной системе топливных элементов дренажные пути 1A и 1B, каждый, соединены с общей выхлопной трубой 5.

[0019] Вышеописанная система топливных элементов устанавливается в электрическое транспортное средство, например. Здесь система топливных элементов устанавливается таким образом, что направление укладки в пакет единичных элементов С в батарее S топливных элементов совпадает с поперечным направлением транспортного средства или продольным направлением транспортного средства. Когда анодный газ и катодный газ подаются в батарею S топливных элементов, электрохимическая реакция происходит в каждом единичном элементе C, тем самым генерируя электрическую энергию.

[0020] Кроме того, при описанном выше генерировании электричества система топливных элементов выпускает отходящий анодный газ и отходящий катодный газ из батареи S топливных элементов. В частности, система топливных элементов выпускает получающуюся в результате реакции воду и примесные газы, такие как азот, содержащиеся в отходящем анодном газе, наружу. Здесь, поскольку система топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B на обоих торцах батареи S топливных элементов, получающаяся в результате реакции вода и примесные газы выпускаются через эти дренажные пути 1A и 1B. Кроме того, даже когда батарея S топливных элементов наклоняется вверх одной своей стороной из-за состояния дороги, по которой движется транспортное средство, или т.п., система топливных элементов без сбоев сливает воду через дренажный путь 1A (1B) в нижней позиции и выпускает примесные газы главным образом через дренажный путь 1B (1A) в верхней позиции.

[0021] Поскольку вышеописанная система топливных элементов включает дренажные пути 1A и 1B на обоих торцах батареи S топливных элементов, как описано выше, высота конструкции системы может быть сделана небольшой. Это предлагает отличную возможность установки под днищем транспортного средства, которое является небольшим ограниченным пространством. Кроме того, система топливных элементов способна надежно выпускать получающуюся в результате реакции воду и примесные газы даже в наклоненном состоянии. Таким образом, даже системы с низкой скоростью циркуляции водорода могут добиваться хороших функций дренажа и выпуска газа.

[0022] Фиг.2-8 являются схемами, описывающими другие семь вариантов системы топливных элементов согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что те же части, что и в предшествующем варианте, будут обозначены теми же ссылочными позициями, и их подробное описание будет пропущено. Дополнительно каждая из систем топливных элементов последующих вариантов включает в себя такие компоненты, как блок подачи анодного газа (ссылочная позиция 2 на фиг.1) и блок подачи катодного газа (ссылочная позиция 3 на фиг.1), хотя они не показаны.

[0023] Система топливных элементов, показанная на фиг.2, включает в себя дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов в направлении укладки единичных элементов соответственно. Кроме того, система топливных элементов включает в себя буфер для жидкой воды по меньшей мере в одном из дренажных путей 1A и 1B на обеих торцевых сторонах в позиции выше по потоку от выпускного порта наружу, причем буфер для жидкой воды предназначен для того, чтобы удерживать получающуюся в результате реакции воду. В иллюстрированном примере система топливных элементов включает в себя буферы 6A и 6B для жидкой воды в дренажных путях 1A и 1B на обеих торцевых сторонах.

[0024] Вышеописанная система топливных элементов может выполнять операции и достигать результатов, эквивалентных результатам вышеупомянутого варианта. Кроме того, снабженная буферами 6A и 6B для жидкой воды, которые удерживают некоторое количество получающейся в результате реакции воды, система топливных элементов может более надежно предотвращать ситуацию, когда получающаяся в результате реакции вода возвращается в сторону батареи S топливных элементов вследствие внезапного изменения в наклоне. То есть возможно предотвращать обратное протекание получающейся в результате реакции воды, даже когда транспортное средство, оборудованное системой топливных элементов, внезапно наклоняется, или когда транспортное средство подвергается большому ускорению.

[0025] Система топливных элементов, показанная на фиг.3, включает в себя дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов в направлении укладки единичных элементов соответственно. Кроме того, система топливных элементов включает в себя по меньшей мере одно из буфера для жидкой воды, в позиции выше по потоку от выпускного порта наружу, и регулирующего клапана по меньшей мере в одном из дренажных путей 1A и 1B на обеих торцевых сторонах, где буфер для жидкой воды предназначен для того, чтобы удерживать получающуюся в результате реакции воду, а регулирующий клапан предназначен для того, чтобы открывать и закрывать выпускной порт наружу. В иллюстрированном примере система топливных элементов включает в себя буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B в дренажных путях 1A и 1B на обеих торцевых сторонах соответственно.

[0026] Система топливных элементов, включающая в себя регулирующий клапан 7A и/или 7B, может принимать любую из следующих конфигураций (a)-(g).

(a) Конфигурация, в которой регулирующий клапан предусмотрен только в одном дренажном пути.

(b) Конфигурация, в которой регулирующий клапан предусмотрен в обоих дренажных путях.

(c) Конфигурация, в которой буфер для жидкой воды предусмотрен в одном дренажном пути и регулирующий клапан предусмотрен в этом же дренажном пути.

(d) Конфигурация, в которой буфер для жидкой воды предусмотрен в одном дренажном пути, а регулирующий клапан предусмотрен в другом дренажном пути.

(e) Конфигурация, в которой буфер для жидкой воды предусмотрен в одном дренажном пути, а регулирующий клапан предусмотрен в обоих дренажных путях.

(f) Конфигурация, в которой буфер для жидкой воды предусмотрен в обоих дренажных путях, а регулирующий клапан предусмотрен в одном дренажном пути.

(g) Конфигурация, в которой буфер для жидкой воды и регулирующий клапан, каждый, предусмотрены в обоих дренажных путях (конфигурация на фиг.3).

[0027] Кроме того, система топливных элементов этого варианта включает в себя путь 8 протекания отходящего газа, сообщающийся по меньшей мере с одним из дренажных путей 1A и 1B на обеих торцевых сторонах, и также включает в себя клапан 9 спуска примесного газа в этом пути 8 протекания отходящего газа. В иллюстрированном примере дренажный путь 1B на правой стороне чертежа включает в себя путь 8 протекания отходящего газа, проходящий от буфера 6B для жидкой воды наружу, и спускной клапан 9, разветвляющий путь 8 протекания отходящего газа.

[0028] Вышеописанная система топливных элементов может выполнять операции и достигать результатов, эквивалентных результатам вышеупомянутого варианта. Кроме того, система топливных элементов сливает получающуюся в результате реакции воду через регулирующие клапаны 7A и 7B, а также выпускает примесные газы (газообразный азот, в частности) в отходящем анодном газе через спускной клапан 9. Здесь система топливных элементов закрывает клапаны 7A, 7B и 9, когда выпуск получающейся в результате реакции воды и примесных газов не нужен. Таким образом, чрезмерный выпуск непрореагировавшего водорода в отходящем анодном газе предотвращается, тем самым делая возможным сбор, циркуляцию и повторное использование водорода через путь 8 протекания отходящего газа.

[0029] Система топливных элементов, показанная на фиг.4, включает в себя дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно. Кроме того, в системе топливных элементов дренажные пути 1A и 1B на обеих торцевых сторонах включают в себя общий выпускной порт 10 наружу и регулирующий клапан 7, который открывает и закрывает этот выпускной порт 10. В иллюстрированном примере дренажные пути 1A и 1B на обеих торцевых сторонах включают в себя общий буфер 6 для жидкой воды, сообщающийся с ними, и имеют регулирующий клапан 7 и выпускной порт 10 в последовательной конфигурации в позиции ниже по потоку от этого буфера 6 для жидкой воды. В этом случае система топливных элементов использует гравитацию, чтобы заставлять получающуюся в результате реакции воду вытекать, и, следовательно, буфер 6 для жидкой воды, регулирующий клапан 7 и выпускной порт 10, размещаются на нижней стороне батареи S топливных элементов как само собой разумеющееся.

[0030] Вышеописанная система топливных элементов может выполнять операции и достигать результатов, эквивалентных результатам вышеупомянутых вариантов. Кроме того, система топливных элементов может добиваться хорошей функции дренажа с одним буфером 6 для жидкой воды, одним регулирующим клапаном 7 и одним выпускным портом 10, и конструкция системы может, следовательно, быть уменьшена дополнительно в размере и весе.

[0031] Система топливных элементов, показанная на фиг.5, имеет конфигурацию, которая является конфигурацией, показанной на фиг.4, за исключением того, что буферы 6A и 6B для жидкой воды предусмотрены в дренажных путях 1A и 1B на обеих торцевых сторонах. Эта система топливных элементов может также выполнять операции и достигать результатов, эквивалентных системе топливных элементов, показанной на фиг.4. Кроме того, буфер 6A и 6B для жидкой воды на обеих сторонах может более надежно предотвращать ситуацию, когда получающаяся в результате реакции вода возвращается в сторону батареи S топливных элементов, тем самым делая возможным предотвращение обратного протекания получающейся в результате реакции воды вследствие внезапного изменения в положении или внезапного ускорения.

[0032] Система топливных элементов, показанная на фиг.6, имеет конфигурацию, показанную на фиг.4, за исключением того, что дренажные пути 1A и 1B на обеих торцевых сторонах наклонены вниз по направлению к общему выпускному порту 10. Угол наклона θ каждого из дренажных путей 1A и 1B соответствует, например, максимальному углу наклона в продольном или поперечном направлении, требуемому для транспортного средства, которое должно быть оборудовано системой топливных элементов.

[0033] Эта система топливных элементов может также выполнять операции и достигать результатов, эквивалентных системе топливных элементов, показанной на фиг.4. Кроме того, система топливных элементов может более надежно предотвращать ситуацию, когда получающаяся в результате вода возвращается в сторону батареи S топливных элементов, используя простую структуру, подразумевающую только наклон дренажных путей 1A и 1B.

[0034] Система топливных элементов, показанная на фиг.7, включает в себя дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов, а также включает в себя регулирующие клапаны 7A и 7B в дренажных путях 1A и 1B на обеих торцевых сторонах соответственно. Кроме того, в системе топливных элементов нижняя поверхность коллектора M для выпуска отходящего анодного газа в батарее S топливных элементов наклонена вниз к обеим торцевым сторонам от своей средней части в направлении укладки в пакет единичных элементов, являющейся наивысшей точкой.

[0035] В показанном примере приблизительный центр нижней поверхности в направлении укладки в пакет единичных элементов задан как наивысшая точка. Наклоненная нижняя поверхность, которая описана выше, может быть сформирована посредством размещения подходящего элемента внутри коллектора M для выпуска отходящего анодного газа. Альтернативно отверстие коллектора в каждом единичном элементе C может быть сформировано таким образом, что его часть слегка смещена от одного единичного элемента C к другому; таким образом, наслаивание единичных элементов C может заставлять отверстия коллектора сообщаться друг с другом, чтобы формировать коллектор M для выпуска отходящего анодного газа и формировать его нижнюю поверхность в наклоненном состоянии.

[0036] Вышеописанная система топливных элементов может выполнять операции и достигать результатов, эквивалентных результатам вышеупомянутого варианта. Кроме того, поскольку система топливных элементов выпускает получающуюся в результате реакции воду из батареи S топливных элементов без сбоев с использованием простой конструкции, подразумевающей только наклон нижней поверхности коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, причем данная простая конструкция может способствовать дополнительному уменьшению размера и веса структуры системы.

[0037] Система топливных элементов, показанная на фиг.8, включает в себя две, верхнюю и нижнюю, батареи S и S топливных элементов. Кроме того, система топливных элементов выполнена так, что она включает в себя общие дренажные пути 1A и 1B, общие буферы 6A и 6B для жидкой воды и общие регулирующие клапаны 7A и 7B на обеих торцевых сторонах верхней и нижней батарей S и S топливных элементов соответственно. Как описано выше, система на основе топливных батарей настоящего изобретения применима также к конфигурации, включающей в себя несколько батарей S и S топливных элементов. В этом случае также могут быть достигнуты операции и результаты, эквивалентные операциям и результатам вышеупомянутых вариантов.

[0038] Фиг.9-12 являются схемами, описывающими четыре варианта осуществления способа функционирования системы топливных элементов согласно настоящему изобретению. Следует отметить, что в системе топливных элементов те же компоненты, что и в вышеупомянутых вариантах, будут обозначаться теми же ссылочными позициями, и их подробное описание будет пропущено.

[0039] Способ функционирования системы топливных элементов, показанный на фиг.9, является способом функционирования системы топливных элементов, показанной в части (A) того же чертежа. Батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B на обеих ее торцевых сторонах в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно. Кроме того, батарея S топливных элементов имеет путь 8 протекания отходящего газа, который сообщается, по меньшей мере, с одним из дренажных путей на обеих торцевых сторонах, и спускной клапан 9, через который примесные газы выпускаются из этого пути 8 протекания отходящего газа.

[0040] В способе функционирования вышеупомянутой системы топливных элементов два регулирующих клапана 7A и 7B открываются на период времени, требуемый, чтобы опорожнить буферы 6A и 6B для жидкой воды, а спускной клапан 9 открывается, когда объем примесных газов, выпускаемых из обоих регулирующих клапанов 7A и 7B, меньше, чем объем примесных газов, сформированных в батарее S топливных элементов.

[0041] Более конкретно, как показано в части (B) на фиг.9, один регулирующий клапан 7A открывается на период времени tA, требуемый, чтобы опорожнить буфер 6A для жидкой воды (требуемое время дренажа), а другой регулирующий клапан 7B затем открывается на период времени tB, требуемый, чтобы опорожнить буфер 6B для жидкой воды (требуемое время дренажа). Оба требуемых времени дренажа являются одинаковым отрезком времени. Следует отметить, что моменты открытия регулирующих клапанов 7A и 7B не ограничиваются вышеописанным случаем. Например, другой клапан 7B может быть открыт перед первым регулирующим клапаном 7A, или оба регулирующих клапана 7A и 7B могут быть открыты одновременно.

[0042] Известно, что в системе топливных элементов этого типа существует тенденция того, что увеличение температуры или величины тока батареи S топливных элементов увеличивает объемы получающейся в результате реакции воды и примесных газов, сформированных в отходящем анодном газе. Например, как показано в части (A) на фиг.10, объем потока производимой воды на стороне анода увеличивается, когда сгенерированный ток увеличивается, и степень этого увеличения становится более резкой, когда рабочая температура становится выше. Кроме того, как показано в части (B) на фиг.10, объем примесей, протекающих в сторону анода, также увеличивается, когда сгенерированный ток увеличивается, и степень этого увеличения становится более резкой, когда рабочая температура становится выше. Таким образом, измеряя температуру или величину тока батареи S топливных элементов, возможно оценивать объемы получающейся в результате реакции воды (производимой воды) и примесных газов (примесей), сформированных в этот момент времени.

[0043] В этом отношении в способе функционирования системы топливных элементов сформированный объем получающейся в результате реакции воды оценивается из температуры или величины тока батареи S топливных элементов, чтобы определять требуемые времена tA и tB дренажа в этот момент времени. Аналогично сформированный объем примесных газов оценивается, чтобы определять требуемое время tN2 выпуска в этот момент времени. Следует отметить, что требуемые времена tA и tB дренажа являются периодом времени, требуемым для каждого из регулирующих клапанов 7A и 7B, чтобы полностью сливать объем получающейся в результате реакции воды, оцененный таким образом, и являются периодом времени, достаточно продолжительным для одного регулирующего клапана, чтобы полностью сливать этот объем.

[0044] Кроме того, в вышеописанном способе функционирования системы топливных элементов, когда два регулирующих клапана 7A и 7B открыты в течение требуемых времен tA и tB дренажа, описанного выше, два регулирующих клапана 7A и 7B открыты в течение требуемых времен tA и tB дренажа, которые являются одинаковыми отрезками времени, несмотря на положение (наклон) транспортного средства. Таким образом, выпускается не только получающаяся в результате реакции вода, но также и примесные газы.

[0045] В частности, в способе функционирования системы топливных элементов общий объем, выпускаемый из двух регулирующих клапанов 7A и 7B, больше, поскольку оба регулирующих клапана 7A и 7B открыты в течение требуемых времен tA и tB дренажа, что позволяет выполнить полный слив оцененного объема получающейся в результате реакции воды, как упомянуто выше. Это дает в результате экономию времени открытия по меньшей мере в одном из регулирующих клапанов 7A и 7B независимо от того, равны ли объемы воды, удерживаемой в буферах 6A и 6B для жидкой воды на обеих сторонах, или отличаются друг от друга. В течение этого времени открытия примесные газы могут быть выпущены.

[0046] Например, в случае, когда батарея S топливных элементов, показанная в части (A) на фиг.9, наклонена вниз своей левой стороной, получающаяся в результате реакции вода удерживается главным образом в одном буфере 6A для жидкой воды с левой стороны. Затем, когда оба регулирующих клапана 7A и 7B открываются на требуемые времена tA и tB дренажа, получающаяся в результате реакции вода сливается главным образом из одного регулирующего клапана 7A, а примесные газы выпускаются главным образом из другого регулирующего клапана 7B.

[0047] Здесь в способе функционирования системы топливных элементов примесные газы не могут быть полностью выпущены в течение требуемых времен tA и tB дренажа в случае, когда объем примесных газов, выпускаемых из обоих регулирующих клапанов 7A и 7B, пока они открыты в течение требуемых времен tA и tB дренажа, меньше, чем оцененный объем примесных газов, сформированных в батарее S топливных элементов. Таким образом, спускной клапан 9 открывается на период времени, полученный вычитанием требуемого времени дренажа (tA или tB) из требуемого времени tN2 выпуска или требуемого времени tC выпуска для оставшихся примесных газов. Следует отметить, что спускной клапан 9 не открывается в случае, когда объем примесных газов, выпускаемых из обоих регулирующих клапанов 7A и 7B, больше, чем оцененный объем примесных газов, поскольку примесные газы могут быть выпущены в течение требуемых времен tA и tB дренажа, установленных для регулирующих клапанов 7A и 7B.

[0048] Как описано выше, согласно вышеописанному способу функционирования системы топливных элементов, возможно обеспечивать хорошую функцию дренажа, а также предотвращать чрезмерный выпуск водорода в отходящем анодном газе, открывая каждый из регулирующих клапанов 7A и 7B и спускной клапан 9 только в течение минимального отрезка времени в соответствии с рабочим состоянием системы топливных элементов.

[0049] При этом, в то время как часть (B) на фиг.9 является пояснительной схемой случая, когда батарея S топливных элементов, показанная в части (A) на фиг.9, наклонена вниз своей левой стороной, способ функционирования системы топливных элементов функционирует аналогично в случае, когда батарея S топливных элементов наклонена в противоположном направлении. В этом случае примесные газы выпускаются главным образом из одного регулирующего клапана 7A, который открывается первым, а получающаяся в результате реакции вода выпускается главным образом из другого регулирующего клапана 7B. Следовательно, вышеописанный способ функционирования системы топливных элементов может добиваться хороших функций выпуска получающейся в результате реакции воды и примесных газов, даже когда транспортное средство, оборудованное системой топливных элементов, наклоняется или подвергается ускорению в любом направлении.

[0050] Способ функционирования системы топливных элементов, показанный на фиг.11, является способом функционирования системы топливных элементов, показанной в части (A) того же чертежа. Батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B на обеих ее торцевых сторонах в направлении наслаивания единичных элементов соответственно.

[0051] В способе функционирования вышеупомянутой системы топливных элементов один из двух регулирующих клапанов 7A и 7B, который является регулирующим клапаном 7A, открывается на период времени (tA), требуемый, чтобы опорожнить буфер 6A для жидкой воды. Для другого регулирующего клапана 7B выбирается более длительный из периода времени (tB), требуемого, чтобы опорожнить буфер 6B для жидкой воды, и периода времени (tN2), требуемого, чтобы выпускать примесные газы, и другой регулирующий клапан 7B открывается на этот период времени.

[0052] В этом варианте осуществления также вышеупомянутые периоды времени tA и tB являются эквивалентными значениями. Объемы производимой воды и примесных газов, сформированные на аноде, оцениваются на основе рабочего состояния, такого как ток, генерируемый батареей S топливных элементов, или ее температура. Значения периодов времени tA, tB и tN2 устанавливаются на основе результата этой оценки.

[0053] Часть (B) на фиг.11 является пояснительной схемой случая, когда батарея S топливных элементов, показанная в части (A) на фиг.11, наклонена вниз своей правой стороной. В этом случае в системе топливных элементов получающаяся в результате реакции вода удерживается главным образом в другом буфере 6B для жидкой воды с правой стороны в части (A) на фиг.11, а примесные газы удерживаются в первом буфере 6A для жидкой воды на противоположной стороне.

[0054] Здесь, в способе функционирования системы топливных элементов, выбирается более продолжительный из периода времени (требуемое время дренажа) tA, требуемого, чтобы опорожнить буфер 6А для жидкой воды, и периода времени (требуемое время выпуска) tN2, требуемого, чтобы выпускать примесные газы, то есть выбирается требуемое время tN2 выпуска для примесных газов, и один регулирующий клапан 7A с левой стороны в части (A) на фиг.11 открывается на период времени tN2. Впоследствии другой регулирующий клапан 7B открывается на требуемое время tB дренажа для буфера 6В жидкой воды. Следует отметить, что порядок, в котором необходимо открывать регулирующие клапаны 7A и 7B, не ограничивается вышеописанным случаем. Например, другой регулирующий клапан 7B может быть открыт перед первым регулирующим клапаном 7A, или оба регулирующих клапана 7A и 7B могут быть открыты одновременно.

[0055] В результате, примесные газы выпускаются из одного регулирующего клапана 7A, а получающаяся в результате реакции вода выпускается из другого регулирующего клапана 7B. Соответственно, способ функционирования системы топливных элементов обеспечивает хорошую функцию дренажа, а также предотвращает чрезмерный выпуск водорода в отходящем анодном газе, открывая каждый из регулирующих клапанов 7A и 7B только в течение минимального отрезка времени в соответствии с рабочим состоянием системы топливных элементов.

[0056] Способ функционирования системы топливных элементов функционирует аналогично в случае, когда батарея S топливных элементов наклонена в противоположном направлении. В частности, часть (C) на фиг.11 является пояснительной схемой случая, когда батарея S топливных элементов, показанная в части (A) на фиг.11, наклонена вниз своей левой стороной. В этом случае в системе топливных элементов получающаяся в результате реакции вода удерживается главным образом в одном буфере 6А для жидкой воды с левой стороны в части (A) на фиг.11, а примесные газы удерживаются в другом буфере 6В для жидкой воды на противоположной стороне.

[0057] Здесь, аналогично предыдущему случаю, в способе функционирования системы топливных элементов выбирается более длительное из требуемого времени tA дренажа для буфера 6А жидкой воды и требуемого времени tN2 выпуска для примесных газов, то есть выбирается требуемое время tN2 выпуска для примесных газов, и один регулирующий клапан 7A с левой стороны в части (A) на фиг.11 открывается на время tN2. Впоследствии другой регулирующий клапан 7B открывается на требуемое время tB дренажа для буфера 6В жидкой воды. Следует отметить, что порядок, в котором необходимо открывать регулирующие клапаны 7A и 7B, не ограничивается вышеописанным случаем. Например, другой регулирующий клапан 7B может быть открыт перед первым регулирующим клапаном 7A, или оба регулирующих клапана 7A и 7B могут быть открыты одновременно.

[0058] В результате, в способе функционирования системы топливных элементов получающаяся в результате реакции вода и часть примесных газов выпускаются из одного регулирующего клапана 7A, а оставшаяся часть примесных газов выпускается из другого регулирующего клапана 7B. Соответственно, способ функционирования системы топливных элементов обеспечивает хорошую функцию дренажа, а также предотвращает чрезмерный выпуск водорода в отходящем анодном газе, открывая каждый из регулирующих клапанов 7A и 7B только в течение минимального отрезка времени в соответствии с рабочим состоянием системы топливных элементов.

[0059] Как описано выше, вышеописанный способ функционирования системы топливных элементов может добиваться хороших функций выпуска получающейся в результате реакции воды и примесных газов, даже когда транспортное средство, оборудованное системой топливных элементов, наклоняется или подвергается ускорению в любом направлении. При этом, в то время как вышеописанный вариант осуществления описывал случай, когда требуемое время tN2 выпуска для примесных газов является более длительным, требуемое время tA дренажа для буфера 6B жидкой воды выбирается, если оно более длительное. В этом случае также возможно выпускать всю получающуюся в результате реакции воду и примесные газы из регулирующих клапанов 7A и 7B на обеих сторонах.

[0060] Способ функционирования системы топливных элементов, показанный на фиг.12, является способом функционирования системы топливных элементов, показанной в части (A) того же чертежа. Батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B на обеих ее торцевых сторонах в направлении укладки в стопу единичных элементов соответственно.

[0061] Аналогично варианту осуществления, показанному на фиг.11, в способе функционирования вышеописанной системы топливных элементов один регулирующий клапан открывается на период времени, требуемый, чтобы опорожнить соответствующий буфер для жидкой воды. Для другого регулирующего клапана выбирается более длительный из периода времени, требуемого, чтобы опорожнить соответствующий буфер для жидкой воды, и периода времени, требуемого, чтобы выпускать примесные газы, и другой регулирующий клапан открывается на этот период времени. Кроме того, в этом способе функционирования два регулирующих клапана 7A и 7B открываются на заданные периоды времени в постоянном цикле управления открытием-закрытием. Один регулирующий клапан 7A открывается на заданный период времени с начала цикла управления открытием-закрытием. Другой регулирующий клапан 7B открывается на заданный период времени, который начинает этот заданный период времени перед окончанием цикла управления открытием-закрытием. Другими словами, другой регулирующий клапан 7B управляется, чтобы закрываться в конце цикла управления открытием-закрытием.

[0062] Часть (B) на фиг.12 является пояснительной схемой случая, когда батарея S топливных элементов, показанная в части (A) на фиг.12, наклонена вниз своей правой стороной. В этом случае в системе топливных элементов получающаяся в результате реакции вода удерживается главным образом в другом буфере 6B для жидкой воды с правой стороны в части (A) на фиг.12, а примесные газы удерживаются в первом буфере 6A для жидкой воды на противоположной стороне.

[0063] Здесь в способе функционирования системы топливных элементов устанавливается заданный цикл Ts управления открытием-закрытием. Выбирается более длительное из требуемого времени tA дренажа для буфера 6А жидкой воды и требуемого времени tN2 выпуска для примесных газов, то есть выбирается требуемое время tN2 выпуска для примесных газов. Один регулирующий клапан 7A с левой стороны в части (A) на фиг.12 открывается на время tN2 с начала цикла Ts управления открытием-закрытием. Затем в способе функционирования системы топливных элементов другой регулирующий клапан 7B открывается на заданный период времени (требуемое время дренажа) tB, который начинает этот период времени tB перед окончанием цикла Ts управления открытием-закрытием.

[0064] В результате, в способе функционирования системы топливных элементов примесные газы выпускаются из одного регулирующего клапана 7A, а получающаяся в результате реакции вода выпускается из другого регулирующего клапана 7B в заданном цикле Ts управления открытием-закрытием. Таким образом, способ функционирования может выполнять операции и достигать результатов, аналогичных результатам вышеупомянутых вариантов осуществления. Кроме того, даже когда соотношение периодов времени открытия обоих регулирующих клапанов 7A и 7B к полному объему получающейся в результате реакции воды превышает 100%, период времени, в течение которого левый и правый регулирующие клапаны 7A и 7B оба открыты, минимизируется, и, следовательно, получающаяся в результате реакции вода и примесные газы могут быть выпущены без переноса на следующий цикл управления открытием-закрытием.

[0065] Кроме того, способ функционирования системы топливных элементов функционирует аналогично в случае, когда батарея S топливных элементов наклонена в противоположном направлении. В частности, часть (C) на фиг.12 является пояснительной схемой случая, когда батарея S топливных элементов, показанная в части (A) на фиг.12, наклонена вниз своей левой стороной. В этом случае в системе топливных элементов получающаяся в результате реакции вода удерживается главным образом в одном буфере 6A для жидкой воды с левой стороны в части (A) на фиг.12, а примесные газы удерживаются в другом буфере 6B для жидкой воды на противоположной стороне.

[0066] Здесь, аналогично предыдущему случаю, в способе функционирования системы топливных элементов устанавливается заданный цикл Ts управления открытием-закрытием. Затем выбирается более длительное из требуемого времени tA дренажа для буфера 6А жидкой воды и требуемого времени tN2 выпуска для примесных газов, то есть выбирается требуемое время tN2 выпуска для примесных газов. Один регулирующий клапан 7A с левой стороны в части (A) на фиг.12 открывается на время tN2 с начала цикла Ts управления открытием-закрытием. После этого в способе функционирования системы топливных элементов другой регулирующий клапан 7B открывается на заданный период времени (требуемое время дренажа) tB, который начинает этот период времени tB перед окончанием цикла Ts управления открытием-закрытием.

[0067] В результате, в способе функционирования системы топливных элементов получающаяся в результате реакции вода и часть примесных газов выпускаются из одного регулирующего клапана 7A, а оставшаяся часть примесных газов выпускается из другого регулирующего клапана 7B. Соответственно, способ функционирования системы топливных элементов обеспечивает хорошую функцию дренажа, а также предотвращает чрезмерный выпуск водорода в отходящем анодном газе, открывая каждый из регулирующих клапанов 7A и 7B только в течение минимального отрезка времени в соответствии с рабочим состоянием системы топливных элементов.

[0068] Как описано выше, аналогично предшествующим вариантам осуществления, вышеупомянутый способ функционирования системы топливных элементов может добиваться хороших функций выпуска получающейся в результате реакции воды и примесных газов, даже когда транспортное средство, оборудованное системой топливных элементов, наклоняется или подвергается ускорению в любом направлении. Дополнительно способ функционирования может выпускать получающуюся в результате воду и примесные газы без переноса их на следующий цикл управления открытием-закрытием, минимизируя период времени, в течение которого левый и правый регулирующие клапаны 7A и 7B оба открыты. Кстати, в то время как вышеописанный вариант осуществления описывал случай, когда требуемое время tN2 выпуска для примесных газов является более длительным, требуемое время tA дренажа для буфера 6B жидкой воды выбирается, если оно более длительное. В этом случае также возможно выпускать всю получающуюся в результате реакции воду и примесные газы из регулирующих клапанов 7A и 7B на обеих сторонах.

[0069] Способ функционирования системы топливных элементов, показанный на фиг.13, является способом функционирования системы топливных элементов, показанной в части (A) того же чертежа. Батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B на обеих ее торцевых сторонах в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно. Кроме того, батарея S топливных элементов имеет блок 21 подачи разбавляющего газа, который подает разбавляющий газ для разбавления отходящего анодного газа, выпущенного из двух регулирующих клапанов 7A и 7B.

[0070] В этом варианте осуществления блок 21 подачи разбавляющего газа сформирован из вентилятора 22, трубопровода 23 и т.п. Кроме того, в качестве разбавляющего газа возможно использовать: газ (катодный обходной газ), полученный посредством взятия части газа, подаваемого из устройства (такого как компрессор или вентилятор), которое подает воздух к катоду для генерирования энергии, отходящий катодный газ после реакции или т.п.

[0071] Способ функционирования вышеупомянутой системы топливных элементов является способом функционирования варианта осуществления, показанного на фиг.12, который использует вышеупомянутый блок 21 подачи разбавляющего газа и выполняет такое управление с тем, чтобы увеличивать объем разбавляющего газа, который должен подаваться во время каждого периода времени, в течение которого оба регулирующих клапана 7A и 7B открыты.

[0072] В частности, как показано в части (B) на фиг.13, способ функционирования системы топливных элементов увеличивает выходную мощность вентилятора 22, чтобы увеличивать объем разбавляющего газа, который должен подаваться, во время периодов времени tD, в течение которых два регулирующих клапана 7A и 7B оба открыты, или во время данного периода, включающего в себя периоды времени tD, в течение которых регулирующие клапаны 7A и 7B оба открыты. То есть когда два регулирующих клапана 7A и 7B оба открыты, концентрация водорода в отходящем анодном газе также увеличивается. Таким образом, расход воздуха увеличивается в соответствии с ситуациями, когда два регулирующих клапана 7A и 7B оба открыты. Таким образом, отходящий анодный газ разбавляется и затем выпускается наружу. Соответственно, возможно предотвращать увеличение концентрации водорода в газе, выпускаемом из системы. Кстати, в то время как только один из регулирующих клапанов 7A и 7B открыт, выходная мощность вентилятора 22 снижается, чтобы уменьшать объем разбавляющего газа, который должен подаваться, так что расход топлива и шумовибрационная характеристика улучшаются.

[0073] Фиг.14-20 являются схемами для описания других вариантов системы топливных элементов настоящего изобретения. Следует отметить, что в последующих вариантах осуществления те же компоненты, что и в предшествующих вариантах, будут обозначаться теми же ссылочными позициями, и их подробное описание будет пропущено.

[0074] Система топливных элементов, показанная на фиг.14, является системой топливных элементов типа с циркуляцией анодного газа, предназначенной, чтобы собирать и повторно использовать непрореагировавший водород в отходящем анодном газе. Показанная система топливных элементов включает в себя путь 30 подачи анодного газа, по которому необходимо подавать анодный газ к батарее S топливных элементов от блока подачи анодного газа (см. ссылочную позицию 2 на фиг.1), и путь подачи катодного газа (не показан). В канале 30 подачи анодного газа струйный насос 31 (насос) и датчик 32 давления предусмотрены в таком порядке.

[0075] Аналогично показанной на фиг.3, упомянутой выше, батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих своих торцевых сторонах в направлении укладки в пакет единичных элементов C соответственно. В обоих дренажных путях 1A и 1B предусмотрены буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны (дренажные клапаны) 7A и 7B соответственно. Кроме того, путь 8 протекания отходящего газа, служащий в качестве пути обратного потока, проходящий к струйному насосу 31, соединяется с буфером 6A для жидкой воды в одном дренажном пути 1A с левой стороны на чертеже. Спускной клапан 9 для выпуска азота предусмотрен в ответвляющемся пути 33 потока, соединенном со средней частью пути 8 протекания отходящего газа.

[0076] Аналогично предшествующим вариантам, вышеупомянутая система топливных элементов устанавливается в электрическое транспортное средство, например, и выпускает получающуюся в результате реакции воду и примесные газы, такие как азот, содержащиеся в отходящем анодном газе, через дренажные пути 1A и 1B на обоих торцах батареи S топливных элементов. Здесь, даже когда батарея S топливных элементов наклоняется вверх одной своей стороной из-за состояния дороги или т.п., система топливных элементов без сбоев сливает воду через дренажный путь 1A (1B) в нижней позиции и выпускает примесные газы главным образом через дренажный путь 1B (1A) в верхней позиции.

[0077] Между тем, система топливных элементов типа циркуляции анодного газа, описанная выше, имеет относительно низкую скорость циркуляции водорода, поскольку она подразумевает только подачу непрореагировавшего водорода, как он есть, к струйному насосу 31 из одного буфера 6A для жидкой воды. Здесь эта система топливных элементов надежно выпускает получающуюся в результате воду и примесные газы, как описано выше. Это означает, что системы типа циркуляции анодного газа с низкой скоростью циркуляции водорода могут также добиваться функций хорошего дренажа и выпуска газа. Кроме того, повторное использование непрореагировавшего водорода позволяет выполнять генерирование энергии с хорошей топливной эффективностью.

[0078] Дополнительно, аналогично предшествующим вариантам, вышеупомянутая система топливных элементов имеет отличную возможность установки под днищем транспортного средства, которое является небольшим ограниченным пространством, поскольку высота конструкции системы может быть сделана небольшой.

[0079] Система топливных элементов, показанная на фиг.15, является системой топливных элементов типа циркуляции анодного газа, аналогичной вышеупомянутому варианту. Однако в этом варианте путь 30 подачи анодного газа не имеет струйного насоса (31). Вместо этого циркуляционный насос 34 (насос) предусмотрен в средней части пути 8 протекания отходящего газа, который проходит к пути 30 подачи анодного газа от буфера 6A жидкой воды с левой стороны на чертеже. Кроме того, ответвляющийся путь 33 потока, включающий в себя спускной клапан 9, предусмотрен в пути 8 протекания отходящего газа в позиции ниже по потоку от циркуляционного насоса 34.

[0080] Вышеупомянутая система топливных элементов выпускает получающуюся в результате реакции воду и примесные газы, содержащиеся в отходящем анодном газе, посредством буферов 6A и 6B для жидкой воды, регулирующих клапанов 7A и 7B и спускного клапана 9, а также подает непрореагировавший водород в батарею S топливных элементов, закачивая непрореагировавший водород в путь 30 подачи анодного газа посредством циркуляционного насоса 34.

[0081] Вышеописанная система топливных элементов может выполнять операции и достигать результатов, аналогичных результатам вышеупомянутых вариантов. В частности, даже системы типа с циркуляцией анодного газа с низкой скоростью циркуляции водорода могут добиваться хороших функций дренажа и выпуска газа. Соответственно, система топливных элементов может выполнять циркуляцию и повторное использование достаточного объема водорода, с использованием циркуляционного насоса 34 с низким объемом потока. Это способствует уменьшению выходной мощности приводного устройства, уменьшению размера и веса конструкции системы и уменьшению потребления мощности.

[0082] Система топливных элементов, показанная на фиг.16, не является системой топливных элементов какого-либо из типов циркуляции, показанных на фиг.14 и 15, а имеет тип без циркуляции отходящего анодного газа (система с заглушенной анодной частью), которая не возвращает отходящий анодный газ к аноду батареи S топливных элементов. В частности, система топливных элементов включает в себя путь 30, по которому подается анодный газ от блока подачи анодного газа (см. ссылочную позицию 2 на фиг.1) к батарее S топливных элементов, и путь подачи катодного газа (не показан). Датчик 32 давления предусмотрен в пути 30 подачи анодного газа.

[0083] Батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, проходящие от коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, на обеих своих торцевых сторонах в направлении укладки в пакет единичных элементов C соответственно. Буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны (дренажные клапаны) 7A и 7B предусмотрены в обоих дренажных путях 1A и 1B соответственно. Кроме того, путь 8 протекания отходящего газа соединен с буфером 6A для жидкой воды одного дренажного пути 1A с левой стороны на чертеже. Дополнительно спускной клапан 9 предусмотрен в средней части пути 8 протекания отходящего газа. Здесь снаружи батареи S топливных элементов, система выпуска отходящего анодного газа, сформированная из коллектора M для выпуска отходящего анодного газа, дренажных путей 1A и 1B, буферов 6A и 6B для жидкой воды, пути 8 протекания анодного газа и т.п., не соединена с системой подачи анодного газа, сформированной из блока подачи анодного газа, пути 30 подачи анодного газа и т.п. Путь 30 подачи анодного газа формирует путь нециркулирующей подачи анодного газа.

[0084] Аналогично предшествующим вариантам вышеупомянутая система топливных элементов устанавливается в электрическое транспортное средство, например, и выпускает получающуюся в результате реакции воду и примесные газы, такие как азот, содержащиеся в отходящем анодном газе, через дренажные пути 1A и 1B на обоих торцах батареи S топливных элементов. Здесь, даже когда батарея S топливных элементов наклоняется вверх одной своей стороной из-за состояния дороги или т.п., система топливных элементов без сбоев сливает воду через дренажный путь 1A (1B) в нижней позиции и выпускает примесные газы главным образом через дренажный путь 1B (1A) в верхней позиции.

[0085] Между тем, в способе функционирования системы топливных элементов типа без циркуляции анодного газа, описанной выше, подача анодного газа временно прекращается после начала генерирования энергии, и генерирование энергии продолжается, так что давление пути 30 подачи анодного газа снижается. Затем, когда путь 30 подачи анодного газа достигает заданного давления, подача анодного газа возобновляется. Когда подача возобновляется, этот поток газа используется, чтобы выпускать производимую воду внутри каждого единичного элемента C. Здесь система топливных элементов имеет хорошую функцию дренажа, как описано выше. Это означает, что системы типа без циркуляции анодного газа могут быстро выпускать производимую воду после начала генерирования энергии.

[0086] Кроме того, аналогично предшествующим вариантам, вышеупомянутая система топливных элементов имеет отличную возможность установки под днищем транспортного средства, которое является небольшим ограниченным пространством, поскольку высота конструкции системы может быть сделана небольшой.

[0087] Система топливных элементов, показанная на фиг.17, также является системой типа без циркуляции анодного газа и включает в себя дренажные пути 1A и 1B на обеих торцевых сторонах батареи S топливных элементов, а буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны (дренажные клапаны) 7A и 7B предусмотрены в обоих дренажных путях 1A и 1B. Кроме того, в системе топливных элементов этого варианта коллектор M батареи S топливных элементов служит также в качестве буферного резервуара. Следует отметить, что вместо этого может быть буферный резервуар, служащий также в качестве коллектора.

[0088] Таким образом, получающаяся в результате реакции вода, содержащаяся в отходящем анодном газе, удерживается временно в коллекторе M, служащем также в качестве буферного резервуара, и затем протекает в буферы 6A и 6B для жидкой воды в дренажных путях 1A и 1B. Кроме того, примесные газы, такие как азот, содержащиеся в отходящем анодном газе, выпускаются наружу через буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B.

[0089] Вышеописанная система топливных элементов может также выполнять операции и достигать результатов, аналогичных результатам вышеупомянутых вариантов. Кроме того, поскольку коллектор M внутри батареи S топливных элементов функционирует также в качестве буферного резервуара, система топливных элементов может добиваться увеличения объема производимой воды, который должен удерживаться, а также добиваться уменьшения размера и веса буферов 6A и 6B для жидкой воды снаружи.

[0090] Фиг.18-20 иллюстрируют примерные конфигурации, в которых система топливных элементов настоящего изобретения устанавливается в транспортное средство, в качестве других ее вариантов.

В частности, система топливных элементов, показанная на фиг.18, включает в себя, в транспортном средстве V, батарею S топливных элементов, которая размещается под днищем ниже заднего сиденья, и резервуар T для водорода, который размещается между левым и правым задними колесами. Этот резервуар T для водорода соответствует блоку подачи анодного газа (см. ссылочную позицию 2 на фиг.1), упомянутому выше.

[0091] Батарея S топливных элементов содержит буферный резервуар B, который служит также в качестве коллектора. Эта батарея S топливных элементов имеет дренажные пути 1A и 1B, снабженные буферами 6A и 6B для жидкой воды и регулирующими клапанами (дренажными клапанами) 7A и 7B, на обеих ее сторонах в направлении укладки в стопу единичных элементов C. Батарея S топливных элементов устанавливается таким образом, что направление укладки в стопу единичных элементов C совпадает с поперечным направлением транспортного средства V. Кроме того, путь 30 подачи анодного газа предусмотрен между батареей S топливных элементов и резервуаром T для водорода. Дополнительно батарея S топливных элементов снабжена выхлопной трубой E, проходящей между батарей S топливных элементов и резервуаром T для водорода к задней части транспортного средства V. Оба дренажных пути 1A и 1B находятся в сообщении с этой выхлопной трубой E. Выхлопная труба E соответствует выхлопной трубе 5 в варианте, показанном на фиг.1. Следует отметить, что блок D привода, сформированный из электромотора, инвертера, редуктора скорости и т.п., размещен в моторном отсеке транспортного средства V.

[0092] Как упомянуто в предшествующих вариантах осуществления, система топливных элементов может устанавливаться под днищем транспортного средства V, которое является небольшим ограниченным пространством, как показано в иллюстрированном примере, поскольку высота конструкции системы может быть сделана небольшой. Кроме того, даже когда транспортное средство V наклоняется влево или вправо из-за состояния дороги или т.п. или когда транспортное средство V подвергается центробежной силе в поперечном направлении вследствие его поворачивающего движения, система топливных элементов сливает воду через дренажный путь 1A (1B) в нижней позиции относительно наклона или во внешнюю сторону относительно поворота без сбоев и выпускает примесные газы через дренажный путь 1B (1A) в верхней позиции относительно наклона или т.п.

[0093] Система топливных элементов, показанная на фиг.19, имеет основную конфигурацию, аналогичную конфигурации варианта, показанного на фиг.18. Однако в транспортном средстве V батарея S топливных элементов установлена таким образом, что направление укладки в пакет единичных элементов C совпадает с продольным направлением транспортного средства.

[0094] Вышеописанная система топливных элементов может выполнять операции и достигать результатов, аналогичных результатам вышеупомянутого варианта осуществления. Кроме того, даже когда транспортное средство V наклоняется в продольном направлении, двигаясь вверх и вниз по холму, или когда транспортное средство подвергается ускорению, двигаясь из или в неподвижное состояние, система топливных элементов сливает воду через дренажный путь 1A (1B) в нижней позиции относительно наклона или задней или передней стороны обязательно и выпускает примесные газы через дренажный путь 1B (1A) в верхней позиции относительно наклона или т.п.

[0095] Система топливных элементов, показанная на фиг.20, имеет основную конфигурацию, аналогичную конфигурации варианта, показанного на фиг.18. Однако в транспортном средстве V батарея S топливных элементов размещается в блоке D привода в моторном отсеке. Эта батарея S топливных элементов устанавливается таким образом, что направление укладки в пакет единичных элементов C совпадает с поперечным направлением транспортного средства V.

[0096] Вышеупомянутая система топливных элементов может быть установлена не только под днищем транспортного средства V, которое является небольшим ограниченным пространством, но также внутри моторного отсека транспортного средства V, который также является небольшим ограниченным пространством, поскольку высота конструкции системы может быть сделана небольшой. Кроме того, будучи установленной в моторном отсеке, система топливных элементов может не только выполнять операции и достигать результатов, аналогичных результатам варианта согласно фиг.18, но также увеличивать салон транспортного средства.

[0097] Конфигурации системы топливных элементов и способа ее функционирования согласно настоящему изобретению не ограничены вышеприведенными вариантами. Детали конфигураций могут быть опционально изменены без отступления от сути настоящего изобретения. Например, варианты согласно фиг.14-20, каждый, были описаны, рассматривая, в качестве примера, батарею S топливных элементов, имеющую дренажные пути 1A и 1B, буферы 6A и 6B для жидкой воды и регулирующие клапаны 7A и 7B на обеих торцевых сторонах в направлении укладки в пакет единичных элементов; однако в этих вариантах буфер для жидкой воды может быть предусмотрен по меньшей мере в одном из дренажных путей на обеих торцевых сторонах в позиции выше по потоку от выпускного порта наружу, или буфер для жидкой воды может быть исключен аналогично системе топливных элементов согласно фиг.1. Кроме того, что касается буфера для жидкой воды и регулирующего клапана, который открывает и закрывает выпускной порт наружу по меньшей мере один из буфера для жидкой воды и регулирующего клапана может быть предусмотрен по меньшей мере в одном из дренажных путей на обеих торцевых сторонах. Дополнительно дренажные пути на обеих торцевых сторонах могут включать в себя общий выпускной порт наружу и регулирующий клапан, который открывает и закрывает этот выпускной порт, в таком случае дренажные пути могут быть наклонены вниз по направлению к общему выпускному порту. Кроме того, нижняя поверхность коллектора для выпуска отходящего анодного газа в батарее топливных элементов может быть сформирована наклоняющейся вниз к обеим торцевым сторонам из ее средней части в направлении укладки в пакет единичных элементов, являющейся наивысшей точкой. Кроме того, системы топливных элементов, показанные на фиг.18-20, каждая, могут быть системой топливных элементов любого из типов циркуляции анодного газа, показанных на фиг.14 и 15.

[0098] Данная заявка основана на и заявляет приоритет предыдущей японской патентной заявки № 2010-163747, поданной 21 июля 2010 года, и японской патентной заявке № 2011-137634, поданной 21 июня 2011 года, и полное содержание этих заявок включено в данный документ посредством ссылки.

Промышленная применимость

[0099] Согласно системе топливных элементов и способу ее функционирования согласно настоящему изобретению система топливных элементов имеет отличную возможность установки под днищем транспортного средства, поскольку высота конструкции системы может быть сделана небольшой, и даже системы с низкой скоростью циркуляции водорода могут достигать хорошей функции дренажа.

Перечень ссылочных позиций

[0100] C единичный элемент

M коллектор для выпуска отходящего анодного газа

S батарея топливных элементов

1A, 1B дренажный путь

6 буфер для жидкой воды

6A, 6B буфер для жидкой воды

7 регулирующий клапан

7A, 7B регулирующий клапан

8 путь протекания отходящего газа

9 спускной клапан

10 (общий) выпускной порт

21 блок подачи разбавляющего газа

Изобретение относится к системам топливных элементов. Технический результат - обеспечение возможности размещения на транспортном средстве с повышением функции водоотведения. Система топливных элементов включает в себя: батарею топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов горизонтально и имеющую, в многослойном корпусе, коллекторы, через которые подаются и выпускаются химически активные газы в и из каждого из единичных элементов; и дренажные пути, проходящие от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно. 4 н. и 9 з.п. ф-лы 20 ил.

1. Система топливных элементов, содержащая:
батарею топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов горизонтально и имеющую, в пакетированном корпусе, коллекторы, через которые подаются и выпускаются химически активные газы в и из каждого из единичных элементов;
дренажные пути, проходящие от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно;
буферы для жидкой воды, предоставляемые в дренажных путях на обеих торцевых сторонах и предназначенные удерживать получающуюся в результате реакции воду в позициях выше по потоку от выпускного порта наружу соответственно;
регулирующие клапаны, которые открывают и закрывают выпускные порты наружу, предоставляемые в дренажных путях на обеих торцевых сторонах соответственно;
путь протекания отходящего газа, который сообщается по меньшей мере с одним из дренажных путей на обеих торцевых сторонах; и
спускной клапан, который выпускает примесный газ из пути протекания отходящего газа,
при этом два регулирующих клапана открываются на период времени, требуемый, чтобы опорожнить буферы для жидкой воды, и спускной клапан открывается, если объем примесного газа, выпускаемого из регулирующих клапанов, меньше, чем объем примесного газа, сформированного в батарее топливных элементов.

2. Система топливных элементов, содержащая:
батарею топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов горизонтально и имеющую, в многослойном корпусе, коллекторы, через которые подаются и выпускаются химически активные газы в и из каждого из единичных элементов;
дренажные пути, проходящие от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно;
буферы для жидкой воды, предусмотренные в дренажных путях на обеих торцевых сторонах и предназначенные удерживать получающуюся в результате реакции воду в позициях выше по потоку от выпускного порта наружу соответственно; и
регулирующие клапаны, которые открывают и закрывают выпускные порты наружу, предусмотренные в дренажных путях на обеих торцевых сторонах соответственно;
при этом один из двух регулирующих клапанов открывается на период времени, требуемый, чтобы опорожнить соответствующий буфер для жидкой воды, а другой регулирующий клапан открывается на период времени, выбранный как более длительный из периода времени, требуемого, чтобы опорожнить соответствующий буфер для жидкой воды, и периода времени, требуемого, чтобы выпустить примесный газ.

3. Система топливных элементов по п.2, в которой:
два регулирующих клапана открываются на заданный период времени в постоянном цикле управления открытием-закрытием,
один из регулирующих клапанов открывается на заданный период времени от начала цикла управления открытием-закрытием, и
другой регулирующий клапан открывается на заданный период времени, который начинает этот заданный период времени перед окончанием цикла управления открытием-закрытием.

4. Система топливных элементов по п.2 или 3, дополнительно содержащая:
блок подачи разбавляющего газа, который подает разбавляющий газ для разбавления отходящего анодного газа, выпускаемого из двух регулирующих клапанов;
при этом управление выполняется так, чтобы иметь увеличенный объем разбавляющего газа, который должен подаваться, в ситуации, когда оба регулирующих клапана открыты, чем в ситуации, когда один из двух регулирующих клапанов открыт.

5. Система топливных элементов по любому из пп.1-3, в которой нижняя поверхность коллектора для выпуска отходящего анодного газа в батарее топливных элементов наклонена вниз к обеим торцевым сторонам из своей средней части в направлении укладки в пакет единичных элементов, являющейся наивысшей точкой.

6. Система топливных элементов по любому из пп.1-3, дополнительно содержащая:
путь подачи анодного газа, по которому подается анодный газ от блока подачи анодного газа к батарее топливных элементов;
струйный насос, который предусмотрен на пути подачи анодного газа; и
путь обратного потока, по которому возвращается отходящий анодный газ из коллектора для выпуска отходящего анодного газа к струйному насосу.

7. Система топливных элементов по любому из пп.1-3, дополнительно содержащая путь нециркулирующей подачи анодного газа, по которому подается анодный газ от блока подачи анодного газа к батарее топливных элементов.

8. Система топливных элементов по п.7, в которой коллектор для выпуска отходящего анодного газа служит также в качестве буферного резервуара.

9. Система топливных элементов по любому из пп.1-3, в котором батарея топливных элементов размещается под днищем транспортного средства.

10. Способ функционирования системы топливных элементов, содержащий этапы, на которых:
размещают батарею топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов, в таком направлении, что направление укладки в пакет единичных элементов является горизонтальным;
предоставляют, в батарее топливных элементов, коллекторы, через которые подаются и выпускаются химически активные газы в и из каждого из единичных элементов;
предоставляют дренажные пути, проходящие от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки единичных элементов соответственно;
предоставляют, в дренажных путях на обеих торцевых сторонах, буферы для жидкой воды в позициях выше по потоку от выпускных портов наружу и регулирующие клапаны, которые открывают и закрывают выпускные порты наружу соответственно, при этом буферы для жидкой воды предназначены для того, чтобы удерживать получающуюся в результате реакции воду;
предоставляют путь протекания отходящего газа, который сообщается по меньшей мере с одним из дренажных путей на обеих торцевых сторонах, и спускной клапан, который выпускает примесный газ из пути протекания отходящего газа; и
открывают два регулирующих клапана на период времени, требуемый, чтобы опорожнить буферы для жидкой воды, и открывают спускной клапан, если объем примесного газа, выпускаемого из регулирующих клапанов, меньше, чем объем примесного газа, сформированного в батарее топливных элементов.

11. Способ функционирования системы топливных элементов, содержащий этапы, на которых:
размещают батарею топливных элементов, сформированную посредством укладки в пакет множества единичных элементов в таком направлении, что направление наслаивания единичных элементов является горизонтальным;
предоставляют, в батарее топливных элементов, коллекторы, через которые подаются и выпускаются химически активные газы в и из каждого из единичных элементов;
предоставляют дренажные пути, проходящие от коллектора для выпуска отходящего анодного газа, на обеих торцевых сторонах батареи топливных элементов в направлении укладки в пакет единичных элементов соответственно;
предоставляют, в дренажных путях на обеих торцевых сторонах, буферы для жидкой воды в позициях выше по потоку от выпускных портов наружу и регулирующие клапаны, которые открывают и закрывают выпускные порты наружу соответственно, при этом буферы для жидкой воды предназначены для того, чтобы удерживать получающуюся в результате реакции воду;
открывают один из двух регулирующих клапанов на период времени, требуемый, чтобы опорожнить соответствующий буфер для жидкой воды; и
открывают другой регулирующий клапан на период времени, выбранный как более длительный из периода времени, требуемого, чтобы опорожнить соответствующий буфер для жидкой воды, и периода времени, требуемого, чтобы выпустить примесный газ.

12. Способ функционирования системы топливных элементов по п.11, в котором
два регулирующих клапана открывают на заданный период времени в постоянном цикле управления открытием-закрытием,
один из регулирующих клапанов открывают на заданный период времени от начала цикла управления открытием-закрытием, и
другой регулирующий клапан открывают на заданный период времени, который начинает этот заданный период времени перед окончанием цикла управления открытием-закрытием.

13. Способ функционирования системы топливных элементов по п.11 или 12, дополнительно содержащий этапы, на которых:
используют блок подачи разбавляющего газа, который подает разбавляющий газ для разбавления отходящего анодного газа, выпускаемого из двух регулирующих клапанов; и
выполняют такое управление, чтобы иметь увеличенный объем разбавляющего газа, который должен подаваться, в ситуации, когда оба регулирующих клапана открыты, чем в ситуации, когда один из двух регулирующих клапанов открыт.