СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДАННОЙ СИСТЕМОЙ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК H01M8/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится к системе генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, содержащей батарею топливных элементов для генерирования электроэнергии путем подачи газообразного реагента, а также к способу управления данной системой генерирования электрической энергии.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов включает в себя батарею топливных элементов, состоящую из множества отдельных топливных элементов (то есть из множества автономных элементов). Каждый из множества отдельных элементов состоит из электродно-мембранного узла и содержит анод на одной стороне электролитной мембраны и катод на другой стороне электролитной мембраны. Электродно-мембранный узел расположен между каналом потока газа и сепаратором. На анод подается топливный газ, содержащий водород. Водород вступает в реакцию окисления на основе следующей химической формулы (1), и при этом из топливного газа образуется протон. Образованный таким образом протон перемещается к катоду через электролитную мембрану. На катод подается окислительный газ, содержащий кислород. Кислород в окислительном газе вступает в реакцию с протоном, который поступает от анода и образует воду в соответствии с восстановительной реакцией, выраженной следующей химической формулой (2). В результате, в соответствии со следующей химической формулой (3), в топливном элементе происходит электрогенная реакция. Топливный элемент выделяет электроэнергию на электродах в результате электрохимической реакции, происходящей на боковой поверхности электролитной мембраны со спаренными электродами.

[0003] Как описано выше, поскольку топливный элемент генерирует воду (образовавшаяся таким образом вода указана под номером 30 на Фиг.1), образовавшаяся в топливном элементе вода замерзает в холодной среде, то есть ниже температуры замерзания, поскольку эта замороженная образовавшаяся вода размораживается за счет тепла, генерируемого при активации топливного элемента, и превращается снова в воду, и это приводит к возможному накоплению воды в топливном элементе. Если замораживание и накопление воды происходят в топливном элементе, то канал потока газа блокируется, что препятствует диффузии газов, вызывая при этом значительное снижение выходной мощности топливного элемента. В свете вышеописанной проблемы, в публикации японской заявки на патент No. 2005-44795 описан способ улучшения технических показателей производства электроэнергии за счет регулирования давления газообразного реагента, подаваемого в батарею топливных элементов в случае ее активации при температуре ниже температуры замерзания до величины, несколько превышающей давление при нормальной активации. Увеличение давления при подаче газообразного реагента приводит к принудительной подаче газа на реакционную поверхность, что позволит компенсировать снижение диффузии газов.

ЦИТИРУЕМЫЕ ДОКУМЕНТЫ

ПАТЕНТНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ

[0004] Патентный документ 1: Публикация заявки на патент Японии No. 2005-44795.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Из патентного документа 1 известен способ, в котором уменьшение диффузии газов регулируется за счет подачи газообразного реагента больше, чем при обычной работе, что позволяет подавать достаточное количество газа на реакционную поверхность. Данный способ эффективен при условии, что температура топливного элемента ниже температуры замерзания воды. Тем не менее, в случае, когда замороженная вода размораживается и когда температура топливного элемента превышает 0 градусов, это приводит к увеличению скорости образования воды, которая блокирует каналы потока газа и препятствует равномерному отводу образовавшейся воды. В результате объем газа, который должен подаваться на поверхность реагента, может уменьшиться. Кроме того, лед внутри топливного элемента в случае активации при температуре ниже температуры замерзания образуется не только в канале потока газа, но и внутри электродно-мембранного узла, а также в слое катализатора. Такой лед полностью размораживается в период, когда температура топливного элемента превышает 0 градусов, и поэтому происходит резкое снижение выходной мощности. В способе, описанном в патентном документе 1, увеличение давления при подаче газообразного реагента обеспечивает дренаж воды, образовавшейся вокруг газоыпускного патрубка. Однако в известном способе 1 сложно обеспечить эффективный дренаж образовавшейся воды из внутренней части топливного элемента, особенно из внутренней части электродно-мембранного узла и с внутренней стороны слоя катализатора, а также дренаж в целом из всего топливного элемента, включая область вокруг газо-выпускного патрубка. Если образовавшаяся вода накапливается в электродно-мембранном узле и в слое катализатора, то это накопление воды препятствует подаче газообразного реагента и подавляет реакцию топливного элемента, что приводит к замедлению роста температуры топливного элемента. Такое замедление роста температуры топливного элемента уменьшает испарение и эффективность истечения образовавшейся воды, так что диффузия газообразного реагента нарушается, а также создаются помехи для реакции для выработки электроэнергии внутри топливного элемента. Другими словами, если топливный элемент находится при низкой температуре и образовавшаяся вода накапливается внутри электродно-мембранного узла и слоя катализатора, то возникает порочный круг, связанный с диффузией газов и температурой в топливном элементе. Такой порочный круг может мешать реакции выработки электроэнергии топливным элементом, что резко снижает эффективность его работы.

[0006] Настоящее изобретение направлено на создание системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, способной обеспечить эффективный дренаж воды, образовавшейся при размораживании льда в топливном элементе, активированном в холодной среде, что приведет к повышению эффективности работы топливного элемента, а также на создание способа управления системой топливных элементов.

Средства решения проблемы

[0007] В соответствии с настоящим изобретением, система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, включающая батарею топливных элементов, которая генерирует электроэнергию путем подачи топливного газа на анод и окислительного газа на катод, характеризуется наличием следующих конструктивных элементов: датчика температуры, который измеряет температуру внутри батареи топливных элементов, датчика давления, который измеряет давление на катоде, регулятора давления, который регулирует давление на катоде, и блока регулировки давления, который управляет регулятором давления таким образом, чтобы применять пульсацию давления на катоде, когда температура внутри батареи топливных элементов, измеряемая датчиком температуры после активации системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, при температуре, ниже температуры замерзания, становится выше 0 градусов.

[0008] В соответствии с системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, содержащей вышеописанные конструктивные элементы, когда вода, замороженная внутри топливного элемента, размораживается после активизации при температуре ниже температуры замерзания, применение пульсации давления на стороне катода позволяет эффективно дренировать накопившуюся воду. Поскольку поток газа может быть создан за счет использования перепада давления вместо традиционного образования потока газа, то вода, накопившаяся внутри канала потока газа, а также вода, блокирующая канал потока газа внутри электродно-мембранного узла и слоя катализатора, может надлежащим образом дренироваться. Кроме того, поскольку температура внутри топливного элемента повышается в соответствии с ростом давления, также может возникнуть эффект разогрева топливного элемента. В этой связи пульсация давления в данном изобретении означает мгновенное изменение увеличение/снижение давления.

[0009] В системе генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, содержащей вышеописанные конструктивные элементы, предпочтительно, что блок регулировки давления применяет пульсацию давления путем управления регулятором давления, чтобы временно повысить давление на входе катода, а затем понизить давление, но не ниже уровня базового давления.

[0010] Увеличение/снижение давления на входе катода дает возможность осуществить предварительный дренаж воды, накопившейся вокруг входного патрубка, и, таким образом, количество газа, подаваемого на катод, может быть увеличено. Кроме того, поскольку пульсация давления применяется при базовом значении давления или выше его, то снижение выходной мощности не произойдет даже при снижении давления.

[0011] В том случае, когда система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов дополнительно включает в себя устройство измерения выходной мощности, которое измеряет выходную мощность батареи топливных элементов, и определено, что выходная мощность батареи топливных элементов, измеренная с помощью устройства измерения выходной мощности, равна или ниже, чем требуемый уровень мощности, предпочтительно, чтобы блок регулировки давления управлял регулятором давления. В этой связи, требуемый уровень мощности означает уровень мощности, требуемый для движения автомобиля, и может быть установлен на любое значение.

[0012] После активации при температуре ниже температуры замерзания, вода внутри топливного элемента может эффективно дренироваться и снижение выходной мощности, вызванное избыточным применением пульсации давления, может быть предотвращено за счет применения пульсации давления только в том случае, когда выходная мощность падает в результате размораживания замороженной воды и за счет применения минимальной пульсации, необходимой для восстановления мощности. Соответственно, режим давления и режим подачи газа после применения пульсации давления может быть быстро стабилизирован.

[0013] В соответствии с настоящим изобретением, способ управления системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, включающей топливный элемент, который генерирует электроэнергию путем подачи топливного газа на анод, и окислительного газа на катод, характеризуется тем, что включает в себя определение при активации системы, является ли температура топливного элемента равной или меньше базовой температуры, ниже температуры замерзания, осуществление контроля за активацией системы при температуре ниже температуры замерзания, когда температура топливного элемента равна или ниже базовой температуры; определение после осуществления контроля за активацией при температуре ниже температуры замерзания, становится ли температура топливного элемента выше 0 градусов; и применение пульсации давления на катоде топливного элемента, когда температура топливного элемента после осуществления контроля за активацией давления при температуре ниже температуры замерзания становится выше 0 градусов.

[0014] Кроме того, способ управления также включает сравнение уровня выходной мощности топливного элемента с предварительно заданным требуемым уровнем выходной мощности, когда температура топливного элемента после осуществления контроля за активацией при температуре ниже температуры замерзания становится выше 0 градусов, и расчет диапазона изменения давления из разности между фактическим уровнем мощности и требуемым уровнем мощности, когда уровень выходной мощности топливного элемента ниже, чем требуемый уровень мощности, при этом предпочтительно, что при применении пульсации давления на катоде, применяется пульсация давления на катоде на основе рассчитанного диапазона изменения давления.

[0015] В соответствии с заявляемым способом управления системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, имеющей вышеописанные конструктивные элементы, вода, накопившаяся внутри топливного элемента, может быть дренирована за счет применения пульсации давления на катоде, когда после выполнения контроля за активацией при температуре ниже температуры замерзания, определено, что лед растаял. Следует отметить, что данный контроль осуществляется при активации только в том случае, если температура ниже температуры замерзания.

Преимущества изобретения

[0016] Для топливного элемента, приведенного в действие в холодной среде, данное изобретение предлагает систему генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, способную повысить выходную мощность топливного элемента за счет стабильного дренажа воды, образованной в результате таяния льда, а также способ управления системой топливных элементов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] [ФИГ.1] На ФИГ.1 представлен топливный элемент согласно настоящему изобретению.

[ФИГ.2] На ФИГ.2 представлена система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов в соответствии с настоящим изобретением.

[ФИГ.3] На фиг.3 представлена блок-схема, показывающая процесс управления запуском для подачи окислительного газа в систему генерирования электрической энергии на базе топливных элементов согласно фиг.2.

[ФИГ.4] На фиг.4 представлена взаимосвязь между колебаниями давления и выходной мощностью.

[ФИГ.5] На фиг.5 представлен график, отражающий изменение уровня мощности, вызванное пульсацией давления, и график, отражающий колебание температуры, вызванное пульсацией давления.

[ФИГ.6] На фиг.6 представлен график активации системы в зависимости от температуры замерзания.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] Пример осуществления данного изобретения описан ниже со ссылкой на фиг.1-3. На фиг.1 изображен топливный элемент 10. Топливный элемент 10 включает электролитную мембрану 12, анодный каталитический слой 14, катодный каталитический слой 16, анодный диффузионный слой 18, и катодный диффузионный слой 20. Электролитная мембрана 12 включает ионообменную мембрану и имеет протонную проводимость. Анодный каталитический слой 14 и катодный каталитический слой 16 расположены на соответствующих сторонах электролитной мембраны 12. Анодный диффузионный слой 18 расположен на противоположной от электролитной мембраны 12 стороне анодного каталитического слоя 14, и катодный диффузионный слой 20 расположен на противоположной от электролитной мембраны 12 стороне катодного каталитического слоя 16. Соответственно, образован электродно-мембранный узел 22. Каждая сторона электродно-мембранного узла 22 снабжена сепаратором 25 для образования топливного элемента 10. Множество топливных элементов 10 расположено слоями, что позволяет образовать батарею топливных элементов 1. Топливный газ, подаваемый с внешней стороны элемента 10, подается на анодный диффузионный слой 18 и анодный каталитический слой 14 через канал потока топливного газа 26. Окислительный газ подается на катодный диффузионный слой 20 и катодный каталитический слой 16 через канал потока окислительного газа 28.

[0019] На фиг.2 представлена конфигурация системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, как пример осуществления настоящего изобретения. В системе генерирования электрической энергии на базе топливных элементов 40, на катод (то есть камеру топливного элемента с катодной стороны) батареи топливных элементов 1 подается сжатый воздух в качестве окислительного газа. А именно, воздух, который засасывается через фильтр 32, сжимается с помощью компрессора 41 перед тем, как поступить в батарею топливных элементов 1 через трубку 51. Давление подачи воздуха определяется с помощью датчика давления 42, чтобы контролировать данный показатель исходя из предварительно заданного контрольного давления, а именно 150 кПа. Воздух с катода (то есть из камеры топливного элемента с катодной стороны) выпускается наружу через трубку 52 и автомат подсоса воздуха 43. Давление подачи воздуха определяется с помощью датчика давления 42, предусмотренного на трубке 51, и регулируется с помощью клапана 45 избыточного давления. Когда обратный клапан 45 открыт шире, давление на выходе снижается в большей степени. То есть имеет место перепад давления между давлением на входе и давлением на выходе.

[0020] На анод батареи топливных элементов 1 подается газообразный водород, который хранится в резервуаре для водорода 46, через трубку 53. Газообразный водород, который хранится в резервуаре для водорода 46, при высоком давлении, подается к аноду после того, как давление газообразного водорода и расход газообразного водорода, который следует подать, регулируется с помощью запорного клапана 47, регулятора 48 и клапана 49 на выходе из резервуара для водорода. Выхлоп из анода поступает в трубку 54, чтобы разделиться затем на 2 потока. Один поток поступает в трубку 55 и в автомат подсоса воздуха 43 для сброса водорода наружу после разбавления водорода воздухом. Другой поток поступает в трубку 56 через подкачивающий насос 50, чтобы снова циркулировать в батарее топливных элементов 1.

[0021] Охладитель для охлаждения батареи топливных элементов 1 протекает через охлаждающую трубку 61 с помощью насоса 60 и охлаждается с помощью радиатора 62, чтобы затем поступить в батарею топливных элементов 1. Выходной патрубок охладителя батареи топливных элементов 1 снабжен датчиком температуры 64 для определения температуры охладителя. Охладитель циркулирует через батарею топливных элементов 1 так, что температура охладителя, измеренная с помощью датчика температуры 64, может быть использована как температура топливного элемента. В частности, температура топливного элемента может быть определена, например, с помощью датчика температуры, установленного непосредственно на батарее топливных элементов.

[0022] Система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов 40 снабжена блоком управления (ECU) 66 для управления системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов 40. Блок управления 66 принимает детектирующие сигналы, например, от датчика давления 42 и датчика температуры 64 и подает управляющие сигналы, например, на обратный клапан 45, клапан 49, и компрессор 41. Напряжение и сила тока, определяемые контрольно-регулирующим устройством элемента 70, также вводятся в блок управления 66. Кроме того, блок управления 66 соединяется с ключом зажигания 68, от которого поступает сигнал включения/выключения зажигания. Некоторые сигналы, поступающие как в блок управления 66, так и из него, показаны на чертеже пунктиром.

[0023] Далее описывается способ регулирования системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов со ссылкой на фиг.3. На фиг.3 представлена блок-схема, показывающая процесс управления, выполняемый системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, согласно фиг.2. В то время, когда ключ зажигания 68 переключается из положения «выключено» в положение «включено», подается сигнал пуска (IG-ON), и управление переходит на шаг S101.

[0024] На шаге S101, температура Т1 в батарее топливных элементов 1 измеряется с помощью температурного датчика 64 и подается в блок управления 66. Блок управления 66 определяет, действительно ли температура Т1 равна или выше 0 градусов. В том случае, когда температура Т1 выше 0 градусов, управление переходит на шаг S109, где осуществляется контроль за активацией при нормальной температуре. В том случае, когда температура Т равна или ниже 0 градусов, управление переходит на шаг S102, где происходит контроль за активацией при температуре ниже температуры замерзания.

[0025] Далее описывается управление активацией при температуре ниже температуры замерзания. Хорошо известно, что управление активацией при температуре ниже температуры замерзания обеспечивает активацию при повышенной температуре батареи топливных элементов, но при этом электроэнергия генерируется с меньшей эффективностью, чем в случае управления активацией при нормальной температуре. При низкоэффективном генерировании электроэнергии расход газового реагента, точнее говоря, расход окислительного газа, подаваемого в топливный элемент, меньше, чем расход окислительного газа, подаваемый при нормальном генерировании электроэнергии, таким образом, потеря мощности очень большая. Например, топливный элемент приводится в действие при условии, что стехиометрическое соотношение воздуха уменьшается приблизительно до 1.0 по сравнению с соотношением в случае управления активацией при нормальной температуре. Таким образом, система при большой потере мощности создает условия для быстрого разогрева топливного элемента. В частности, в случае управления активацией при нормальной температуре, топливный элемент приводится в действие при условии, что стехиометрическое соотношение воздуха задано, например, на уровне значения, равна или превышает 1.5, чтобы достигнуть более высокой эффективности генерирования электроэнергии, препятствуя при этом потере мощности.

[0026] Управление активацией при температуре ниже температуры замерзания осуществляется с помощью различных способов. Конкретный пример такого управления активацией представлен далее. Выделяются три режима работы топливного элемента в зависимости от взаимоотношения между температурой топливного элемента и количеством воды, оставшейся в топливном элементе при активации топливного элемента, и управление осуществляется в зависимости от одного из трех режимов работы топливного элемента. На фиг.6 представлен график, отражающий три режима работы топливного элемента в зависимости от температуры топливного элемента и количества воды, оставшейся в топливном элементе при активации топливного элемента. На графике показано, что управление осуществляется в соответствии с любым из трех режимов работы, которые включают: (I) режим работы, когда температура топливного элемента высокая, а количество оставшейся воды небольшое; (II) режим работы, когда температура топливного элемента низкая, а количество оставшейся воды большое; и (III) режим работы, отличающийся от вышеупомянутых режимов, т.е. от режима, когда температура топливного элемента низкая, а количество оставшейся воды небольшое, и от режима работы, когда температура топливного элемента высокая, а количество оставшейся воды большое. В режиме работы, когда температура топливного элемента высокая, а количество оставшейся воды небольшое (I), быстрый подогрев происходит за счет подачи увеличенного количества газового реагента при циркуляции охладителя. В режиме работы, когда температура топливного элемента низкая, а количество оставшейся воды большое (II), быстрый нагрев осуществляется за счет подачи уменьшенного количества газового реагента без циркуляции охладителя. В режиме работы, когда температура топливного элемента низкая, а количество оставшейся воды большое, и в режиме работы, когда температура топливного элемента высокая, а количество оставшейся воды небольшое (III), быстрый нагрев осуществляется при циркуляции охладителя и газового реагента. Как описано выше, топливный элемент может быть плавно активирован путем изменения количества циркулирующего охладителя, принимая во внимание баланс между температурой батареи топливных элементов и количеством воды, оставшейся в батарее топливных элементов.

[0027] После управления активацией при температуре ниже температуры замораживания на шаге S102, управление переходит на шаг S103, где датчик температуры 64 снова измеряет температуру Т2 в батарее топливных элементов 1. Аналогично шагу S101, измеренная таким образом температура Т2 вводится в блок управления 66, где определяется, действительно ли температура Т2 равна или превышает 0 градусов. Когда температура Т2 превышает 0 градусов, управление переходит на шаг S104. Когда температура Т2 равна или меньше 0 градусов, процесс обработки данных возвращается на шаг S102, и тогда повторно происходит управление активацией при температуре ниже температуры замерзания. Другими словами, управление активацией при температуре ниже температуры замерзания на шаге S102 осуществляется до того момента, пока температура Т2 батареи топливных элементов 1 не превысит 0 градусов, и, когда температура Т2 превысит 0 градусов, прекращается активация при температуре ниже температуры замерзания.

[0028] На шаге S104, в блоке управления 66 рассчитывается значение выходной мощности W на основе значения давления Р и силы тока I, измеренной с помощью контрольно-измерительного прибора элемента 70, а также определяется, действительно ли выходная мощность W выше, чем требуемая мощность WO. Другими словами, на основе выходной мощности определяется, действительно ли эффективное генерирование электроэнергии осуществляется каждым топливным элементом в батарее топливных элементов 1. В том случае, когда выходная мощность W выше требуемой мощности WO, блок управления 66 определяет, действительно ли осуществляется достаточное генерирование энергии, и управление переходит на шаг S109, где управление переключается на управление активацией при нормальной температуре. С другой стороны, в том случае, когда выходная мощность W равна или меньше требуемой мощности WO, блок управления 66 определяет, что генерируется вода, поскольку температура превышает 0 градусов, и вода остается внутри топливного элемента. Соответственно, управление переходит на шаг S105. Требуемая мощность WO может быть легко задана и установлена на том уровне, когда элемент находится в таком режиме работы, когда можно беспрепятственно осуществить переход от контроля активации при низкотемпературном режиме к контролю активации при нормальной температуре. В батарее топливных элементов 1 в соответствии с данным примером осуществления, требуемый уровень мощности задан, например, на уровне 1.5 kW.

[0029] На шаге S105, датчик давления 42 измеряет давление Р1 на входе катода и вводит измеренное давление Р1 в блок управления 66.

[0030] На шаге S106, блок управления 66 закрывает клапан избыточного давления 45 для регулирования давления на выходе катода, чтобы поднять давление на катоде.

[0031] На шаге S107, датчик давления измеряет давление Р2 на входе катода после того, как клапан закрывается, и измеренное давление Р2 вводится в блок управления 66. Блок управления 66 сравнивает давление Р1 до закрытия клапана, давление Р2 после закрытия клапана, и диапазон отклонения давления а, а также определяет, действительно ли результаты сравнения удовлетворяют условию Р2>P1+α. Другими словами, в блоке управления 66 определяется, действительно ли давление Р2 возрастает от давления Р1 до закрытия клапана, используя α. Если условие Р2>P1+α удовлетворяется, то управление переходит на шаг S108. Если условие Р2>P1+α не удовлетворяется, то обработка на шаге S107 повторяется до тех пор, пока условие Р2>P1+α не будет выполнено. Здесь величина α может быть установлена на уровне любого значения. Поскольку α изменяется в зависимости, например, от конфигурации батареи топливных элементов 1, предпочтительно провести тест на батарее топливных элементов 1 таким образом, чтобы определить подходящее значение.

[0032] Далее, как показано на фиг.4(а), возможно предварительно замерить диапазон изменения давления α и уровень восстановления мощности, чтобы определить их взаимосвязь между собой и на этой основе получить график, а также рассчитать требуемый диапазон изменения давления а на основе спада мощности (W1-W) и графика. То есть эффективный дренаж воды осуществляется за счет увеличения диапазона изменения давления α, когда имеет место большой спад мощности.

[0033] На шаге S108, блок управления 66 открывает клапан избыточного давления 45, чтобы сбросить давление на катоде. В то же время блок управления 66 управляет клапаном избыточного давления 45 таким образом, чтобы давление на катоде не упало до величины, равной или меньшей, чем базовое значение давления Р0. Другими словами, блок управления 66 применяет пульсацию давления по отношению к катоду путем открывания/закрывания клапана избыточного давления 45, сохраняя при этом давление на катоде на уровне равном или превышающем базовое значение давления Р. В этой связи базовое значение давления Р указывает значение давления, требуемое для подачи определенного количества газообразного реагента в топливный элемент. Базовое значение давления Р может быть задано на уровне любого значения.

[0034] Как показано на чертежах, датчик давления предусмотрен на выходе катода батареи топливных элементов 1 с тем, чтобы блок управления 66 мог управлять открытием клапана избыточного давления 45 так, чтобы давление на выходе катода было выше, чем базовое значение давления Р. Следует заметить, что в предпочтительном варианте клапан открывается достаточно быстро, чтобы обеспечить предварительно заданную пульсацию давления на катоде.

[0035] При этом если количество оставшейся воды большое, требуется обеспечить максимально возможный перепад давления для восстановления производительности. Однако давление на катоде не может повышаться до слишком высокого уровня. Таким образом, чтобы получить большой диапазон отклонений давления, базовое значение давления Р в качестве нижней границы давления задано в виде относительно низкого значения. Достаточное количество газового реагента необходимо для стимулирования достаточной реакции в топливном элементе и поэтому предпочтительно обеспечить относительно высокое давление химически активному газу.

[0036] Таким образом рассчитывается диапазон изменения давления, требуемый для восстановления производительности. Если требуемый диапазон изменения давления большой, то диапазон изменения давления увеличивается за счет использования более высокой верхней границы давления и более низкой нижней границы давления. Если диапазон изменения давления, требуемый для обеспечения производительности, относительно небольшой, то целесообразно повысить базовое значение давления РО и уменьшить диапазон изменения давления. Кроме того, когда диапазон изменения давления, требуемый для обеспечения производительности, относительно невелик, верхняя граница давления может быть понижена, а нижняя граница давления может быть повышена.

[0037] Как описано выше, при применении пульсации давления на катоде устраняется уменьшение расхода газового реагента и при этом поддерживается достаточная реакция на катоде.

[0038] В данной системе для того чтобы оценить, насколько возрастает давление при закрытии клапана избыточного давления 45, можно, например, провести испытание. Таким образом, управление на шаге S107 может быть заменено управлением, чтобы определить, действительно ли определенный период времени прошел после закрытия клапана.

[0039] В любом случае вода, накопленная в катоде, может быть эффективно дренирована за счет периодического закрытия и открытия клапана избыточного давления 45 и периодического увеличения или уменьшения давления на катоде.

[0040] На фиг.4(b) показано, как меняется давление в промежутке между шагом S106 и шагом S108. Давление повышается на шаге S106 при закрытии клапана избыточного давления 45, который до закрытия открывается в атмосферу. После того, как давление увеличивается с использованием полосы изменения давления αkPa, давление понижается за счет открытия клапана избыточного давления 45 на шаге S108. В то же время предпочтительно понижать давление до такой степени, чтобы давление не опускалось ниже базового значения давления Р. В том случае, когда после активации системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов при температуре ниже температуры замораживания давление снижается до уровня равного или меньшего, чем базовое значение давления Р, когда температура превышает 0 градусов, восстановление выходной мощности недостаточно, поскольку количество газового реагента внутри элемента снижается, что может привести к ухудшению работы системы. Применение пульсации давления должно быть в такой степени, чтобы давление не опустилось ниже базового значения давления Р. Даже когда давление падает, эффективное восстановление выходной мощности может быть достигнуто за счет использования пульсации давления, чтобы поддерживать давление, по меньшей мере, на уровне базового давления Р.

[0041] После осуществления управления восстановлением производительности на шагах S105-S108, процесс возвращается на шаг S104. В том случае, когда выходная мощность W не соответствует требуемой мощности WO, управление восстановлением мощности (то есть шаг S105 - шаг S108) повторяется снова. Когда выходная мощность W превышает требуемую мощность WO на шаге S104, управление переходит на шаг S109, когда осуществляется управление активацией при нормальной температуре.

[0042] На Фиг.5 представлены графики, отражающие изменение уровня мощности и температуры топливного элемента, на которых проводится сравнение способа управления системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов в соответствии с примером осуществления данного изобретения и примером, когда вышеупомянутый способ управления не используется. Спустя ′А′ секунд после активации при температуре ниже температуры замерзания, температура топливного элемента превышает 0 градусов. В том случае, когда выходная мощность W топливного элемента равна или ниже, чем требуемый уровень мощности WO, в это время осуществляется вышеописанный контроль за восстановлением мощности (то есть шаг S105 - шаг S108 на фиг.3). Очевидно, что в том случае, когда осуществляется управление по настоящему изобретению по истечению ′А′ секунд, мощность и температура повышаются быстрее, чем в том случае, когда управление в рамках настоящего изобретения не осуществляется, и последующее восстановление мощности значительно облегчается. Подтверждено, что время повышения мощности и время роста температуры может быть сокращено примерно на 20% за счет осуществления контроля в соответствии с данным примером осуществления (один цикл контроля за восстановлением мощности от шага S105 до шага S108), по сравнению со случаем, когда вышеупомянутое управление не осуществляется.

[0043] В данном примере, также возможно изменить степень сжатия воздуха путем регулирования компрессора 41 при изменении давления на катоде на шаге S106-S108. Аналогично закрыванию/открыванию клапана избыточного давления 45 пульсация давления может применяться по отношению к катоду путем изменения числа оборотов компрессора 41, вызывая при этом быстрое увеличение или снижение скорости потока окислительного газа, когда температура превышает 0 градусов. Таким образом достигнуты преимущества, позволяющие улучшить водный дренаж, увеличить мощность и повысить температуру топливного элемента. Также возможно повысить давление на входе катода, управляя компрессором 41 вместе с клапаном избыточного давления 45. Пульсация давления может применяться более эффективно путем регулирования степени повышения/понижения давления, времени повышения/понижения давления, расчета времени повышения/понижения давления на входе и на выходе катода, что позволяет увеличить мощность, улучшить дренаж воды и поддерживать необходимый температурный режим.

[0044] В соответствии с системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов и способом управления системой генерирования электрической энергии на базе топливных элементов и в соответствии с данным примером осуществления, вода, замороженная в топливном элементе во время активации при температуре ниже температуры замерзания, может стабильно дренироваться по мере размораживания. Путем повышения/понижения давления с использованием пульсации, когда температура превышает 0 градусов, поток газа может быть эффективно генерирован, используя перепад давления, вместо обычной подачи потока газа. Соответственно, вода, накопленная в канале потока газа, а также вода, накопленная в каталитическом слое и в диффузионном слое и блокирующая газовый поток, может надежно дренироваться. Температура в топливном элементе растет в соответствии с повышением давления газа, что позволяет также получить эффект разогрева. Данное изобретение предлагает способ усовершенствования дренажа, поддержания температуры элемента и мощности не только во время пульсации давления, но также во время последующей работы топливного элемента, обеспечивая быстрое восстановление мощности.

ОПИСАНИЕ ССЫЛОК

[0045] 1 БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

10 ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

12 ЭЛЕКТРОЛИТНАЯ МЕМБРАНА

14 АНОДНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СЛОЙ

16 КАТОДНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СЛОЙ

18 АНОДНЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ СЛОЙ

20 КАТОДНЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ СЛОЙ

21, 23 СТРЕЛКА

22 ЭЛЕКТРОННО-МЕМБРАННЫЙ УЗЕЛ

25 СЕПАРАТОР

26 КАНАЛ ПОТОКА ГАЗА

28 ПОТОК ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ГАЗА

30 ОБРАЗОВАВШАЯСЯ ВОДА

32 ФИЛЬТР

40 СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

41 КОМПРЕССОР

42 ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

43 АВТОМАТ ПОДСОСА ВОЗДУХА

45 КЛАПАН ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

46 РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ВОДОРОДА

47 ЗАПОРНЫЙ КЛАПАН

48 РЕГУЛЯТОР

49 КЛАПАН

50 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ НАСОС

51, 52, 53, 54, 55, 56 ТРУБКА

60 НАСОС

62 РАДИАТОР

64 ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДАТЧИК

66 БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

68 КЛЮЧ ЗАЖИГАНИЯ

70 КОНТРОЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЭЛЕМЕНТА

Задачей изобретения является повышение выходной мощности топливного элемента и эффективности генерирования электроэнергии путем обеспечения дренажа воды из топливного элемента при активации его при температуре ниже температуры замерзания. В системе генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, путем подачи топливного газа и окислительного газа, измеряют выходную мощность топливного элемента, когда температура топливного элемента, после активации его при температуре ниже температуры замерзания, превышает 0 градусов, и если уровень выходной мощности равен или меньше чем заданный уровень мощности, применяют пульсацию давления на катоде, чтобы дренировать воду, образовавшуюся в топливном элементе. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, содержащая батарею топливных элементов, которая генерирует электроэнергию путем подачи топливного газа на анод и окислительного газа на катод, отличающаяся тем, что она имеет:
датчик температуры, который измеряет температуру в батарее топливных элементов;
датчик давления, который измеряет давление на катоде;
регулятор давления, который регулирует давление на катоде и
блок управления давлением, который управляет регулятором давления так, чтобы применить пульсацию давления на катоде, когда температура в батарее топливных элементов, измеренная с помощью датчика температуры после активации при температуре ниже температуры замерзания, становится выше 0 градусов,
устройство расчета давления, которое рассчитывает диапазон изменения давления, требуемый для восстановления мощности, на основе предопределенной взаимосвязи между (i) разностью между значением выходной мощности и требуемым значением выходной мощности топливного элемента и (ii) требуемым диапазоном изменения давления;
при этом блок управления давлением управляет регулятором давления так, что изменение давления становится равным диапазону изменения давления, определенному на основе диапазона изменения давления, рассчитанного устройством расчета давления.

2. Система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов по п. 1, в которой блок управления давлением применяет пульсацию давления на катоде путем управления регулятором давления, чтобы временно поднять давление на катоде и затем понизить давление, но не ниже базового значения давления.

3. Система генерирования электрической энергии на базе топливных элементов по п. 1, дополнительно содержащая:
устройство измерения выходной мощности батареи топливных элементов, которое измеряет выходную мощность батареи топливных элементов,
при этом блок управления давлением управляет регулятором давления так, что он применяет пульсацию давления на катоде, когда выходная мощность батареи топливных элементов, измеренная с помощью устройства измерения мощности, определяется как значение, равное или меньшее, чем требуемое значение выходной мощности и когда температура топливного элемента после осуществления контроля за активацией давления при температуре ниже температуры замерзания становится выше 0 градусов, и
блок управления давлением управляет регулятором давления так, что он применяет пульсацию давления на катоде, когда выходная мощность батареи топливных элементов, измеренная устройством измерения выходной мощности, определяется как значение, большее, чем требуемое значение выходной мощности, и когда температура топливного элемента после осуществления контроля за активацией давления при температуре ниже температуры замерзания становится выше 0 градусов.

4. Способ регулирования системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, содержащей топливный элемент, который генерирует электроэнергию путем подачи топливного газа на анод и окислительного газа на катод, отличающийся тем, что:
определяют, действительно ли температура топливного элемента равна или меньше базовой температуры при активации его ниже температуры замерзания;
осуществляют управление активацией при температуре ниже температуры замерзания, когда температура топливного элемента равна или ниже базовой температуры;
определяют, действительно ли температура топливного элемента после осуществления управления активацией при температуре ниже температуры замерзания превышает 0 градусов; и
применяют пульсацию давления на катоде топливного элемента, когда температура топливного элемента превышает 0 градусов после осуществления управления его активацией при температуре ниже температуры замерзания,
сравнивают значение выходной мощности топливного элемента с предварительно заданным требуемым значением выходной мощности, когда температура топливного элемента превышает 0 градусов после осуществления управления его активацией при температуре ниже температуры замерзания; и
рассчитывают диапазон изменения давления на основе предопределенной взаимосвязи между (i) разностью между значением выходной мощности и требуемым значением выходной мощности топливного элемента и (ii) требуемым диапазоном изменения давления, когда значение выходной мощности топливного элемента ниже, чем требуемое значение выходной мощности;
при этом при применении пульсации давления на катоде, пульсация давления на катоде применяется с пульсацией давления на основе рассчитанного диапазона изменения давления, и когда значение выходной мощности топливного элемента ниже, чем требуемое значение выходной мощности, пульсация давления на катоде не применяется.