система топливного элемента и способ управления ею

Формула изобретения

1. Система топливного элемента, содержащая:

основной блок топливного элемента, в котором анод и катод расположены в таком состоянии, что между ними размещена электролитная мембрана;

узел подачи топлива, соединенный с анодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи топлива, для подачи водородсодержащего топлива на анод;

узел подачи воздуха, соединенный с катодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи воздуха, для подачи кислородсодержащего воздуха на катод;

вспомогательный блок топливного элемента для использования водорода, образующегося на аноде во время реакции, в качестве топлива;

разделитель газа/жидкости для получения водорода, образующегося в основном блоке топливного элемента в результате реакции; и

рециркуляционную линию, присоединенную между разделителем газа/жидкости и узлом подачи топлива, для повторного сбора топлива, выходящего из разделителя газа/жидкости, в топливный бак.

2. Система топливного элемента, содержащая:

основной блок топливного элемента, в котором анод и катод расположены так, что между ними размещена электролитная мембрана;

узел подачи топлива, соединенный с анодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи топлива, для подачи водородсодержащего топлива на анод;

узел подачи воздуха, соединенный с катодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи воздуха, для подачи кислородсодержащего воздуха на катод;

нагревательный узел, установленный между линией подачи топлива и линией подачи воздуха, для нагрева топлива и воздуха, подаваемых в основной блок топливного элемента, посредством использования водорода, образующегося на аноде в результате реакции, в качестве источника тепла; и

вспомогательный блок топливного элемента для использования водорода, образующегося на аноде во время реакции, в качестве топлива.

3. Система топливного элемента по п.2, дополнительно содержащая: разделитель газа/жидкости для получения водорода, образующегося в основном блоке топливного элемента в результате реакции; и рециркуляционную линию, присоединенную между разделителем газа/жидкости и узлом подачи топлива, для повторного сбора топлива, выходящего из разделителя газа/жидкости, в топливный бак.

4. Система топливного элемента по п.3, в которой между упомянутыми двумя проточными каналами установлен клапан открытия/закрытия для селективного открывания либо проточного канала, соединяющего нагревательный узел и разделитель газа/жидкости, либо проточного канала, соединяющего вспомогательный блок топливного элемента и разделитель газа/жидкости.

5. Система топливного элемента по п.3, в которой нагревательный узел содержит:

корпус, к которому соответственно прикреплены топливопровод для прохождения топлива, подаваемого на анод основного блока топливного элемента, и воздухопровод для прохождения воздуха, подаваемого на катод;

воздуходувный вентилятор, установленный на этом корпусе, для вдувания наружного воздуха внутрь корпуса; и

камеру сгорания, внутри которой установлен катализатор и в которую соответственно вводятся кислородсодержащий воздух, вдуваемый воздуходувным вентилятором, и водород, выделяющийся из разделителя газа/жидкости.

6. Способ управления системой топливного элемента, включающий в себя:

первый этап образования водорода на аноде основного блока топливного элемента в результате реакции;

второй этап подачи водорода, выделяющегося на аноде, во вспомогательный блок топливного элемента; и третий этап регулирования количества водорода, подаваемого во вспомогательный блок топливного элемента.

7. Способ по п.6, в котором на третьем этапе контроллер регулирует степень открывания клапана открытия/закрытия для регулирования тем самым количества водорода, подаваемого во вспомогательный блок топливного элемента, при передаче в этот контроллер электрического сигнала от датчика расхода, который определяет количество водорода, выходящего из разделителя газа/жидкости,

8. Способ управления системой топливного элемента, включающий в себя:

первый этап образования водорода на аноде основного блока топливного элемента в результате реакции;

второй этап подачи водорода, выделяющегося на аноде, в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента; и третий этап регулирования количества водорода, подаваемого в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента, в соответствии с температурой нагревательного узла.

9. Способ по п.8, в котором на третьем этапе контроллер сравнивает температуру нагревательного узла с заданной температурой для регулирования тем самым степени открывания клапана открытия/закрытия, когда датчик температуры, установленный на нагревательном узле, определяет одну из температур топлива, воздуха и катализатора для передачи ее в контроллер.

10. Способ управления системой топливного элемента, включающий в себя:

первый этап образования водорода на аноде основного блока топливного элемента в результате реакции;

второй этап подачи водорода, выделяющегося на аноде, в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента; и

третий этап регулирования количества водорода, подаваемого в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента, в соответствии с силой тока, выдаваемого из вспомогательного блока топливного элемента.

11. Способ по пункту 10, в котором контроллер регулирует степень открывания клапана открытия/закрытия посредством сравнения силы тока, выдаваемого из вспомогательного блока топливного элемента, с заданным значением.

12. Способ управления системой топливного элемента, включающий в себя:

первый этап образования водорода на аноде основного блока топливного элемента в результате реакции;

второй этап подачи водорода, выделяющегося на аноде, в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента; и

третий этап регулирования количества водорода, подаваемого в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента, в соответствии с температурой нагревательного узла и количеством водорода, выделяющимся на аноде.

13. Способ по п.12, в котором на третьем этапе контроллер регулирует степень открывания клапана открытия/закрытия после оценки количества водорода, выделяющегося из разделителя газа/жидкости, в соответствии с электрическим сигналом, передаваемым от датчика расхода, для регулирования тем самым количества водорода, подаваемого в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента, когда датчик расхода определяет количество водорода, выходящего из разделителя газа/жидкости, для передачи его в контроллер.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента, а более конкретно - к системе топливного элемента, способной нагревать топливо и воздух посредством использования водорода, образующегося в блоке топливного элемента в результате реакции и пригодного для использования в качестве топлива в другом блоке топливного элемента.

Уровень техники

Вообще говоря, система топливного элемента была предложена в качестве замены ископаемого топлива и в отличие от обычного элемента (вторичного элемента) в ней топливо (водород или углеводород) подается на анод, а на катод подается кислород. Таким образом, система топливного элемента претерпевает электрохимическую реакцию между водородом и кислородом без реакции горения (реакции окисления) топлива и таким образом непосредственно преобразует разность энергий между состояниями до и после реакции в электроэнергию.

Как показано на фиг.1, система топливного элемента в соответствии с известным уровнем техники содержит блок 106 топливного элемента, в котором в множественном числе собраны в виде стопки анод 102 и катод 104 с электролитной мембраной (не показана) между ними для генерирования электроэнергии в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом, топливный бак 108 для хранения водного раствора и NaBH ₄ для того, чтобы подавать BH₄, содержащий водород, по существу NaBH₄, на анод 102, и узел 110 подачи воздуха для подачи кислородсодержащего воздуха на катод 104.

Топливный насос 112 для подачи топлива, хранящегося в топливном баке 108, установлен между топливным баком 108 и анодом 102 блока 106 топливного элемента.

Узел 110 подачи воздуха содержит воздушный компрессор 114 для подачи присутствующего в атмосфере (атмосферного) воздуха на катод 104 блока 106 топливного элемента, воздушный фильтр 116 для фильтрации воздуха, подаваемого в блок 106 топливного элемента, и увлажнитель 118 для увлажнения воздуха, подаваемого в блок 106 топливного элемента. Увлажнитель 118 предусмотрен с водяным баком 120 для подачи воды в этот увлажнитель 118.

Процессы генерирования электроэнергии при подаче топлива в обычный топливный элемент будут объяснены следующим образом.

Когда топливный насос 112 приводят в действие посредством управляющего сигнала контроллера (не показан), топливо, хранящееся в топливном баке 108, подается насосом на анод 102 блока 106 топливного элемента. Кроме того, когда приводят в действие воздушный компрессор 114, воздух, отфильтрованный с помощью воздушного фильтра 116, проходит через увлажнитель 118 с тем, чтобы таким образом увлажниться, и подается на катод 104 блока 106 топливного элемента.

Когда в блок 106 топливного элемента подают топливо и воздух, на аноде 102 происходит электрохимическое окисление водорода, а на катоде 104 происходит электрохимическое восстановление кислорода в таком состоянии, что между анодом 102 и катодом 104 размещена электролитная мембрана (не показана). При этом образовавшийся электрон перемещается и таким образом генерируется электричество. Генерируемое электричество подается на нагрузку 126.

В обычной системе топливного элемента температура топлива и воздуха, подаваемых в блок 106 топливного элемента, в значительной степени влияет на работу топливного элемента. Следовательно, предусмотрен дополнительный нагревательный узел для повышения температуры топлива, подаваемого на анод 102 из топливного бака 108, и температуры воздуха, подаваемого на катод 104 из узла 110 подачи воздуха, до постоянного уровня.

Однако в обычной системе топливного элемента должен быть предусмотрен дополнительный нагревательный узел для нагрева топлива и воздуха, подаваемых в блок топливного элемента, и для приведения в действие этого нагревательного узла используется электрический ток, генерируемый в топливном элементе, что увеличивает потребляемую мощность.

Кроме того, в обычной системе топливного элемента на электрическом полюсе в результате реакции образуется водород, что может вызвать опасность взрыва в случае выделения водорода наружу.

Раскрытие изобретения

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание системы топливного элемента, способной улучшить энергетический кпд топливного элемента и уменьшить опасность, обусловленную выбросом водорода, образовавшегося в блоке топливного элемента, посредством нагрева топлива и воздуха источником тепла водорода, образовавшегося в результате реакции в блоке топливного элемента и используемого в качестве топлива в другом блоке топливного элемента.

Для достижения этих целей предлагается система топливного элемента, содержащая: основной блок топливного элемента, в котором анод и катод расположены в таком состоянии, что между ними размещена электролитная мембрана; узел подачи топлива, соединенный с анодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи топлива, для подачи водородсодержащего топлива на анод; узел подачи воздуха, соединенный с катодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи воздуха, для подачи кислородсодержащего воздуха на катод и вспомогательный блок топливного элемента для использования водорода, образующегося на аноде во время реакции, в качестве топлива.

Такая система топливного элемента дополнительно содержит разделитель газа/жидкости для получения водорода, образующегося в основном блоке топливного элемента в результате реакции, и рециркуляционную линию, соединяющую разделитель газа/жидкости и узел подачи топлива, для повторного сбора топлива, выходящего из разделителя газа/жидкости, в топливный бак.

Еще одна система топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением содержит: основной блок топливного элемента, в котором анод и катод расположены в таком состоянии, что между ними размещена электролитная мембрана; узел подачи топлива, соединенный с анодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи топлива, для подачи водородсодержащего топлива на анод; узел подачи воздуха, соединенный с катодом основного блока топливного элемента посредством линии подачи воздуха, для подачи кислородсодержащего воздуха на катод; нагревательный узел, установленный между линией подачи топлива и линией подачи воздуха, для нагрева топлива и воздуха, подаваемых в основной блок топливного элемента, посредством использования водорода, образующегося на аноде в результате реакции, в качестве источника тепла и вспомогательный блок топливного элемента для использования водорода, образующегося на аноде в результате реакции, в качестве топлива.

Такая система топливного элемента дополнительно содержит контроллер для поддержания температуры нагревательного узла на надлежащем уровне посредством регулирования количества водорода, подаваемого во вспомогательный блок топливного элемента, и для регулирования степени открывания клапана открытия/закрытия для подачи водорода во вспомогательный блок топливного элемента.

Для достижения этих целей также предлагается способ управления системой топливного элемента, включающий в себя: первый этап образования водорода на аноде основного блока топливного элемента в результате реакции; второй этап подачи водорода, выделяющегося на аноде, во вспомогательный блок топливного элемента и третий этап регулирования количества водорода, подаваемого во вспомогательный блок топливного элемента.

На третьем этапе при передаче в контроллер электрического сигнала от датчика расхода, который определяет количество водорода, выделяющегося из разделителя газа/жидкости, этот контроллер регулирует степень открывания клапана открытия/закрытия и таким образом регулирует количество водорода, подаваемого во вспомогательный блок топливного элемента.

Еще один способ управления системой топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: первый этап образования водорода на аноде основного блока топливного элемента в результате реакции; второй этап подачи водорода, выделяющегося на аноде, в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента и третий этап регулирования количества водорода, подаваемого в нагревательный узел и вспомогательный блок топливного элемента, в соответствии с температурой нагревательного узла.

На третьем этапе, когда температура нагревательного узла выше заданной температуры , подачу водорода в нагревательный узел блокируют и водород подают во вспомогательный блок топливного элемента, а когда температура нагревательного узла ниже заданной температуры во время сравнения на вышеуказанном этапе, подачу водорода во вспомогательный блок топливного элемента блокируют и водород подают в нагревательный узел.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой конструктивный вид системы топливного элемента в соответствии с известным уровнем техники;

фиг.2 представляет собой конструктивный вид системы топливного элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 представляет собой вид в перспективе с частичным разрезом нагревательного узла системы топливного элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую средство управления системой топливного элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую средство управления системой топливного элемента в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую средство управления системой топливного элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.7 представляет собой схему последовательности операций, иллюстрирующую способ управления системой топливного элемента в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и

фиг.8 представляет собой схему последовательности операций, иллюстрирующую способ управления системой топливного элемента в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Способы выполнения предпочтительных вариантов осуществления

Ниже будет описан первый вариант осуществления системы топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Хотя может существовать множество вариантов осуществления системы топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением, здесь будет описан наиболее предпочтительный вариант осуществления.

Фиг.2 представляет собой конструктивный вид системы топливного элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

Система топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением содержит: основной блок 6 топливного элемента, в котором во множественном числе собраны в виде стопки анод 2 и катод 4 и расположены в таком состоянии, что между ними размещена электролитная мембрана (не показана) для генерации электроэнергии в результате электрохимической реакции между водородом и кислородом; топливный бак 8 для хранения топлива, подаваемого на анод 2; узел 10 подачи воздуха для подачи кислородсодержащего воздуха на катод 4; узел рециркуляции топлива для рециркуляции топлива, выходящего из блока 6 топливного элемента, в топливный бак 8; нагревательный узел 12 для нагревания топлива и воздуха, подаваемых в основной блок 6 топливного элемента, посредством использования водорода, образующегося на аноде 2 в результате реакции; и вспомогательный блок 14 топливного элемента для использования водорода, образующегося на аноде 2 в результате реакции, в качестве топлива.

В топливном баке 8 хранится NaBH₄. Топливный бак 8 соединен с анодом 2 основного блока 6 топливного элемента посредством линии 16 подачи топлива и при этом на одной стороне линии 16 подачи топлива установлен топливный насос 16 для подачи топлива, хранящегося в топливном баке 8.

Узел 10 подачи воздуха содержит линию 20 подачи воздуха для подвода атмосферного воздуха к катоду 4 блока 6 топливного элемента, воздушный фильтр 22, установленный на входе линии 20 подачи воздуха и фильтрующий воздух, всасываемый в линию 20 подачи воздуха, воздушный компрессор 24, установленный на одной стороне линии 20 подачи воздуха и генерирующий всасывающую силу для всасывания наружного воздуха, и увлажнитель 26 для увлажнения воздуха, всасываемого воздушным компрессором 24. Увлажнитель 26 предусмотрен с водяным баком 28 для подачи воды.

NaBH₄ и кислородсодержащий воздух подаются соответственно на анод 2 и катод 4 блока 6 топливного элемента из топливного бака 8 и узла 10 подачи воздуха и вступают в реакцию с помощью электролитной мембраны с образованием таким образом ионов. В то время как ионы вступают в электрохимическую реакцию с образованием таким образом воды, электроны генерируются и перемещаются к катоду 4 и таким образом генерируется электричество.

Этот процесс будет описан более подробно. На аноде 2 происходит электрохимическая реакция окисления BH₄ ^- + 8OH^- BO₂ ^- + 6H ₂O + 8e^- с передачей тем самым ионов, образовавшихся в результате реакции окисления и восстановления, в электролитную мембрану, а на катоде 4 происходит электрохимическая реакция восстановления подаваемого воздуха 2O ₂ + 4H₂O + 8e^- 8OH^-.

При осуществлении этих реакций на аноде 2 происходит такая реакция, как 2H ₂O + NaBH₄ NaBO₂ + 4H₂ . В соответствии с этим в топливе (водный раствор NaBH ₄) образуются четыре моля водорода (4H₂ ) и выделяются на аноде 2 вместе с NaBO₂ .

Узел рециркуляции топлива представляет собой систему для повторного сбора топлива, выходящего после реакции в блоке 6 топливного элемента, в топливный бак 8 и включает в себя разделитель 30 газа/жидкости для разделения топлива, выходящего после реакции в основном блоке 6 топливного элемента, на газ и жидкость, линию 32 рециркуляции топлива для повторного сбора топлива в жидком состоянии, выходящего из разделителя 30 газа/жидкости, в топливный бак 8 и рециркуляционный насос 34, установленный на линии 32 рециркуляции топлива, для принудительной подачи повторно собранного жидкого топлива в топливный бак 8.

NaBO ₂ + 4H₂, образовавшиеся в результате реакции на аноде 2 блока 6 топливного элемента, разделяют на газ и жидкость посредством разделителя 30 газа/жидкости. В результате этого вода и NaBO₂ повторно собираются в топливном баке 8 по линии 32 рециркуляции топлива, в то время как водород выделяется наружу.

Таким образом, водород, выделяющийся из разделителя 30 газа/жидкости, используют в качестве источника тепла в нагревательном узле 12 и используют в качестве топлива во вспомогательном блоке 14 топливного элемента. Кроме того, количество водорода, подаваемого в нагревательный узел 12 и вспомогательный блок 14 топливного элемента, регулируют с помощью средства управления.

Как показано на фиг.3, нагревательный узел 12 состоит из линии 16 подачи топлива, корпуса 50, с которым соединена линия 20 подачи воздуха, воздуходувного вентилятора 52, установленного в нижней части корпуса 50 и вдувающего наружный воздух внутрь корпуса 50, и камеры 54 сгорания, установленной во внутренней части корпуса 50 и осуществляющей реакцию с водородом, подаваемым из разделителя 30 газа/жидкости, с генерированием таким образом тепла для нагревания топлива и воздуха, которые проходят через внутреннюю часть корпуса 50.

В корпусе 50 на одинаковом расстоянии от внутренней окружной поверхности корпуса 50 расположена разделительная стенка 56 цилиндрической формы с меньшим диаметром, чем диаметр корпуса 50. В верхней части корпуса 50 выполнено множество выпускных отверстий 58 для выпуска наружу газа после того, как он закончил процедуру нагревания, а в его нижней части установлены камера 54 сгорания и воздуходувный вентилятор 52.

Внутри разделительной стенки 56 намотан в форме спирали топливопровод 60 для прохождения топлива, а снаружи разделительной стенки 56 намотан в форме спирали воздухопровод 62 для прохождения воздуха.

Камера 54 сгорания установлена в нижней части корпуса 50 и выполнена в виде ячеистой структуры, внутри которой закреплен катализатор. Камера 54 сгорания соединена с разделителем 30 газа/жидкости посредством первой линии 72 подачи водорода для приема тем самым водорода, выделяющегося из разделителя 30 газа/жидкости. В данном изобретении в качестве упомянутого катализатора предпочтительно используют платину.

Воздух, вдуваемый внутрь корпуса 50, нагревается в результате выделения тепла внутри камеры 54 сгорания, и нагретый воздух проходит через внутреннюю часть корпуса 50 и таким образом нагревает топливопровод 60 и воздухопровод 62. Кроме того, воздух, который закончил процедуру нагрева, выпускается наружу через выпускные отверстия 58.

Во вспомогательном блоке 14 топливного элемента во множественном числе собраны в стопку анод 80, на который подается водород, образующийся на аноде 2 основного блока 6 топливного элемента в результате реакции, и катод 82, который соединен с узлом 10 подачи воздуха и на который подается кислородсодержащий воздух, в таком состоянии, что между ними размещена электролитная мембрана.

Анод 80 вспомогательного блока 14 топливного элемента соединен с разделителем 30 газа/жидкости посредством линии 74 подачи водорода для приема тем самым водорода, выделяющегося из разделителя 30 газа/жидкости. Кроме того, катод 82 соединен с увлажнителем 26 узла 10 подачи воздуха посредством линии 88 подачи воздуха для приема тем самым увлажненного воздуха.

В качестве вспомогательного блока 14 топливного элемента согласно предпочтительному варианту осуществления предпочтительно применяют топливный элемент с мембраной из полимерного электролита (PEMFC), в котором в качестве топлива используют водород.

Во вспомогательном блоке 14 топливного элемента водород, выделяющийся из разделителя 30 газа/жидкости, подается на анод 80. При таком состоянии, когда кислородсодержащий воздух подается на анод 82 из узла 10 подачи воздуха, водород и кислород реагируют друг с другом и, таким образом, вспомогательный блок 14 топливного элемента генерирует электроэнергию отдельно от основного блока 6 топливного элемента.

Линия 70 выпуска водорода для выпуска водорода соединена с разделителем 30 газа/жидкости, причем эта линия 70 выпуска водорода разветвляется на первую линию 72 подачи водорода, соединенную с нагревательным узлом 12, и вторую линию 74 подачи водорода, соединенную с анодом 80 вспомогательного блока 14 топливного элемента. В том месте, где линия 70 выпуска водорода и первая и вторая линии подачи водорода соединяются друг с другом, установлен клапан 76 открытия/закрытия.

Клапан 76 открытия/закрытия соединяет линию выпуска водорода и первую линию 72 подачи водорода или вторую линию 74 подачи водорода в соответствии с электрическим сигналом, передаваемым от контроллера 90, таким образом подавая водород в нагревательный узел 12 или вспомогательный блок 14 топливного элемента.

В качестве клапана 76 открытия/закрытия предпочтительно используют игольчатый клапан, способный легко регулировать степень открывания посредством электрического сигнала, передаваемого от контроллера 90.

В системе топливного элемента контроллер 90 поддерживает температуру нагревательного узла 12 на надлежащем уровне посредством регулирования количества водорода, подаваемого в нагревательный узел 12 и вспомогательный блок 14 топливного элемента, и регулирует степень открывания клапана 76 открытия/закрытия для подачи водорода во вспомогательный блок 14 топливного элемента.

В качестве одного варианта осуществления, который показан на фиг.4, контроллер 90 регулирует степень открывания клапана 76 открытия/закрытия в соответствии с электрическим сигналом, передаваемым от датчика 86 температуры, установленного на нагревательном узле 12, для определения температуры нагревательного узла 12.

Датчик 86 температуры может быть установлен на катализаторе, размещенном в камере 54 сгорания, для определения температуры камеры 54 сгорания нагревательного узла 12, может быть установлен на воздухопроводе 62 для определения температуры воздуха, нагреваемого в нагревательном узле 12, и может быть установлен на топливопроводе 60 для определения температуры топлива, нагреваемого в нагревательном узле. То есть датчик 86 температуры может устанавливать температуру или катализатора, или воздуха, или топлива на уровне заданной температуры.

Как показано на фиг.5, в качестве другого варианта осуществления контроллер 90 регулирует степень открывания клапана 76 открытия/закрытия в соответствии с электрическим сигналом, передаваемым от датчика 84 расхода, установленного на линии 70 выпуска водорода для определения количества водорода, и датчика 86 температуры, установленного на нагревательном узле 12 для определения температуры нагревательного узла 12.

В качестве еще одного варианта осуществления, который показан на фиг.6, контроллер 90 может регулировать степень открывания клапана 76 открытия/закрытия в соответствии с электрическим сигналом, передаваемым от датчика 96 определения выходного тока для определения силы выходного тока, выдаваемого из вспомогательного блока топливного элемента.

Способ управления системой топливного элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения будет пояснен следующим образом.

Сначала на аноде 2 основного блока 6 топливного элемента в результате реакции образуется водород. Затем водород с анода 6 основного блока 6 топливного элемента при вышеуказанном способе подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента.

Затем регулируют количество водорода, подаваемого во вспомогательный блок 14 топливного элемента. То есть, как только электрический сигнал передается в контроллер 90 от датчика 84 расхода для определения количества водорода, выделяющегося из разделителя 30 газа/жидкости, контроллер 90 регулирует степень открывания клапана 76 открытия/закрытия, таким образом регулируя количество водорода, подаваемого во вспомогательный блок 14 топливного элемента.

Фиг.7 представляет собой схему последовательности операций, иллюстрирующую способ управления системой топливного элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Сначала водород выпускают с анода 2 основного блока 6 топливного элемента (S10). То есть водород, образующийся на аноде 2 основного блока 6 топливного элемента, выделяют с помощью разделителя 30 газа/жидкости с выпуском его, таким образом, в линию 70 выпуска водорода.

Водород, выходящий из разделителя 30 газа/жидкости, подают в нагревательный узел 12 для того, чтобы использовать его в качестве источника тепла в нагревательном узле 12, и в то же самое время подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента для того, чтобы использовать его там в качестве топлива (S20). То есть регулируют степень открывания клапана 76 открытия/закрытия для одновременного открытия проточного канала между разделителем 30 газа/жидкости и нагревательным узлом 12 и проточного канала между разделителем 30 газа/жидкости и вспомогательным блоком 14 топливного элемента, таким образом обеспечивая одновременную подачу водорода, выделяющегося из разделителя 30 газа/жидкости, в нагревательный узел 12 и вспомогательный блок 14 топливного элемента.

Затем температуру нагревательного узла 12 сравнивают с заданной температурой (S30). То есть в ходе процесса, при котором топливо и воздух нагревают нагревательным узлом 12, когда датчик 86 температуры регистрирует одну из температур топлива, воздуха и катализатора и передает ее таким образом в контроллер 90, этот контроллер 90 сравнивает температуру нагревательного узла 12, переданную из датчика 86 температуры, с заданной температурой и определяет (оценивает), превышает ли температура нагревательного узла 12 заданную температуру . В случае определения температуры нагретого топлива или воздуха заданную температуру предпочтительно задают равной 80°C.

В указанном процессе, когда определено, что температура нагревательного узла 12 выше заданной температуры , подачу водорода в нагревательный узел 12 блокируют и водород подают на анод 80 вспомогательного блока 14 топливного элемента (S40). То есть, когда определено, что температура нагревательного узла 12, передаваемая из датчика 86 температуры, выше заданной температуры , контроллер 90 приводит в действие клапан 76 открытия/закрытия таким образом, что он закрыт между первым проточным каналом 70 и вторым проточным каналом 72 и соединяет первый проточный канал 70 и третий проточный канал 74. Затем подачу водорода в нагревательный узел 12 блокируют и водород подают на анод 80 вспомогательного блока 14 топливного элемента для того, чтобы использовать его в качестве топлива.

Во время этой операции температуру нагревательного узла 12 сравнивают с заданной температурой . Когда определено, что температура нагревательного узла 12 ниже заданной температуры , подачу водорода во вспомогательный блок 14 топливного элемента блокируют и водород подают в нагревательный узел 12 (S50 и S60).

То есть, когда датчик 86 температуры регистрирует температуру нагревательного узла 12 и передает ее в контроллер 90, этот контроллер 90 сравнивает температуру нагревательного узла 12 с заданной температурой . При этом, когда определено, что температура нагревательного узла 12 ниже заданной температуры , контроллер 90 приводит в действие клапан 76 открытия/закрытия таким образом, что он закрыт между первым проточным каналом 70 и третьим проточным каналом 74 и соединяет первый проточный канал 70 и второй проточный канал 72. Следовательно, подачу водорода во вспомогательный блок 14 топливного элемента блокируют и водород подают в нагревательный узел 12.

В случае определения температуры нагретого топлива или воздуха заданную температуру предпочтительно задают равной 60°C.

Во время выполнения этой процедуры нагревания, когда определено, что температура нагревательного узла 12 выше заданной температуры , подачу водорода в нагревательный узел 12 снова блокируют и водород подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента, что повторяется (S70).

Фиг.8 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ управления системой топливного элемента в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Сначала водород выпускают из разделителя 30 газа/жидкости (S100). Водород, выходящий из разделителя 30 газа/жидкости, подают в нагревательный узел 12 для того, чтобы использовать его в качестве источника тепла в этом нагревательном узле 12, и в то же самое время подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента для использования его в качестве топлива (S200). То есть степень открывания клапана 76 открытия/закрытия регулируют таким образом, чтобы одновременно открыть проточный канал между разделителем 30 газа/жидкости и нагревательным элементом 12 и проточный канал между разделителем 30 газа/жидкости и вспомогательным блоком 14 топливного элемента, таким образом обеспечивая одновременную подачу водорода, выделяющегося из разделителя 30 газа/жидкости, в нагревательный узел 12 и вспомогательный блок 14 топливного элемента.

Затем температуру нагревательного узла 12 сравнивают с заданной температурой (S300), при этом подачу водорода в нагревательный узел 12 блокируют и водород подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента, когда определено, что температура нагревательного узла 12 выше заданной температуры (S400). Указанные этапы идентичны этапам согласно первому варианту осуществления, поэтому их подробные описания будут опущены.

При указанном состоянии температуру нагревательного узла 12 сравнивают с заданной температурой (S500). Когда определено, что температура нагревательного узла 12 ниже заданной температуры , подачу водорода во вспомогательный блок 14 топливного элемента осуществляют непрерывно и при этом водород подают в нагревательный узел 12 (S600).

То есть, когда датчик 86 температуры регистрирует температуру нагревательного узла 12 и передает ее в контроллер 90, а датчик 84 расхода регистрирует количество водорода, выделяющегося из разделителя 30 газа/жидкости, и передает его в контроллер 90, этот контроллер 90 сравнивает температуру нагревательного узла 12 с заданной температурой . При этом, когда определено, что температура нагревательного узла 12 ниже заданной температуры , контроллер 90 определяет количество водорода, выходящего из разделителя 30 газа/жидкости, по электрическому сигналу, передаваемому от датчика 84 расхода. Затем контроллер 90 регулирует количество водорода, подаваемое в нагревательный узел 12, и количество водорода, подаваемое во вспомогательный блок 14 топливного элемента, посредством регулирования степени открывания клапана 76 открытия/закрытия. В соответствии с этим определенное количество водорода подают в нагревательный узел 12 для использования там в качестве источника тепла и определенное количество водорода подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента для использования там в качестве топлива.

Когда температура нагревательного узла 12 выше заданной температуры во время процесса нагревания и процесса генерации электроэнергии, подачу водорода в нагревательный узел 12 блокируют и водород непрерывно подают во вспомогательный блок 14 топливного элемента, что повторяется (S700).

В соответствии с системой топливного элемента согласно настоящему изобретению топливо и воздух, подаваемые в блок топливного элемента, нагревают посредством использования водорода, образующегося на аноде в результате реакции, поэтому не требуется дополнительная энергия для нагрева топлива и воздуха, что улучшает рабочие характеристики системы топливного элемента. Кроме того, водород, образующийся на аноде, используют в качестве дополнительного топлива в блоке топливного элемента, что повышает энергетический кпд топливного элемента.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные модификации и изменения в настоящем изобретении без отхода от сущности или объема изобретения. Таким образом подразумевается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и изменения изобретения при условии, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.