Система топливного элемента и способ ее контроля

Система топливного элемента и способ ее контроля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе топливного элемента.

Уровень техники

Обычно используется система топливного элемента, обеспеченная топливным элементом, в которой топливный газ (например, водород) подается на топливный электрод, а газ-окислитель (например, воздух) подается на электрод окислителя, тем самым вызывая электрохимическую реакцию этих газов, осуществляя, таким образом, генерирование энергии.

Что касается системы топливного элемента указанного типа, то азот, содержащийся в воздухе, проникает на сторону топливного электрода, так что топливный электрод имеет часть, имеющую высокую концентрацию азота, которая представляет собой часть, имеющую низкую концентрацию водорода. Вызванная таким образом неоднородность газа является причиной ухудшения элементов, включенных в топливный элемент. В документе JP 2007-517369 описан способ изменения давления газов топливного электрода и электрода окислителя, чтобы выдувать воду топливного элемента и накопившийся нереакционноспособный газ.

Техническая проблема

Однако, что касается способа, описанного в JP 2007-517369, изменение давления с импульсом относительно большого давления необходимо для выдувания жидкой воды и нереакционноспособного газа. Тем самым, большое напряжение может подаваться на электролитные мембраны, включенные в топливный элемент, вызывая, таким образом, возможность ухудшения долговечности топливного элемента.

Настоящее изобретение было сделано ввиду указанных проблем. Задачей настоящего изобретения является устранение неоднородности реакционноспособного газа с устранением ухудшения долговечности топливного элемента.

Кроме того, другой задачей настоящего изобретения является устранение напряжения, вызываемого в топливном элементе или компонентах подачи топливного газа, чтобы устранить ухудшение системы топливного элемента.

Решение проблемы

Система топливного элемента согласно одному аспекту настоящего изобретения содержит: топливный элемент для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод; систему подачи топливного газа для подачи топливного газа на топливный электрод и контроллер для управления системой подачи топливного газа, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод, причем контроллер выполнен с возможностью осуществления изменения давления, когда выход стороны топливного электрода закрыт, при этом контроллер периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления.

Способ регулирования системы топливного элемента согласно данному аспекту настоящего изобретения включает этапы, на которых: генерируют энергию путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод; подают топливный газ на топливный электрод и управляют операцией подачи топливного газа так, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод, и выполняют изменение давления, когда выход стороны топливного электрода закрыт, причем операция управления периодически изменяет давление топливного газа на топливном электроде на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления.

Система топливного элемента согласно данному аспекту настоящего изобретения содержит: топливный элемент для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод; средство для подачи топливного газа на топливный электрод и средство для управления средством подачи, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод, причем средство управления выполнено с возможностью осуществления изменения давления, когда выход стороны топливного электрода закрыт, при этом средство управления периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления.

Преимущественные эффекты изобретения

Согласно настоящему изобретению периодическое изменение давления топливного газа на топливном электроде, основанное на первом профиле изменения давления, который осуществляет изменение давления при первом размахе давления, может взбалтывать газ стороны топливного электрода. При этом газ стороны топливного электрода может делаться однородным.

Кроме того, согласно настоящему изобретению количество подачи топливного газа в периоде осуществления одного регулирующего профиля увеличивается, так что можно устранить увеличение числа случаев роста-падения давления за период. При этом напряжение, прилагаемое к топливному элементу или компонентам подачи топливного газа, может сниматься, так что можно устранять ухудшение системы топливного элемента.

Краткое описание чертежей

Фиг.1(а) - блок-схема, схематично показывающая структуру системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления; Фиг.1(b) - блок-схема, схематично показывающая другую структуру системы топливного элемента согласно первому варианту осуществления;

Фиг.2(а) - поясняющее изображение, показывающее состояние водорода на стороне топливного электрода в топливном элементе, показывая линии потока водорода в канале потока газа стороны топливного электрода; Фиг.2(b) - распределение концентрации водорода в канале потока газа стороны топливного электрода; и Фиг.2(с) - распределение концентрации водорода на реакционной поверхности стороны топливного электрода;

Фиг.3(а) - поясняющее изображение, схематично показывающее топливный элемент в предположении восьми точек измерения тока; и Фиг.3(b) - временные переходы распределения тока в отдельных точках измерения;

Фиг.4 - вид в разрезе, схематично показывающий структуру топливного элемента;

Фиг.5 - поясняющее изображение, показывающее величину утечки азота относительно разницы парциального давления азота между электродом окислителя и топливным электродом;

Фиг.6 - поясняющее изображение, показывающее отношение между окружающей влажностью и величиной утечки азота соответственно окружающей температуре;

Фиг.7(а) - поясняющее изображение, схематично показывающее состояние перемешивания водорода с нереакционноспособным газом; и Фиг.7(b) - определение времени для остановки подачи водорода (операция закрывания клапана);

Фиг.8(а) - поясняющее изображение, показывающее состояние выпуска жидкой воды; Фиг.8(b) - определение времени для остановки подачи водорода (операция закрывания клапана); Фиг.8(с) - другой пример определения времени для остановки подачи водорода (операция закрывания клапана); и Фиг.8(d) - еще один пример определения времени для остановки подачи водорода (операция закрывания клапана);

Фиг.9 - поясняющее изображение, показывающее распределение тока на поверхности генерирования энергии;

Фиг.10 - блок-схема, показывающая рабочие процедуры способа регулирования системы топливного элемента согласно второму варианту осуществления;

Фиг.11 - поясняющее изображение, показывающее контрольные профили первого способа контроля;

Фиг.12 - поясняющее изображение, показывающее контрольные профили второго способа контроля;

Фиг.13 - поясняющее изображение, показывающее контрольные профили третьего способа контроля;

Фиг.14 - поясняющее изображение, показывающее рост-падение давления в топливном электроде;

Фиг.15 - поясняющее изображение первого времени сохранения Тр1;

Фиг.16 - поясняющее изображение второго времени сохранения Тр2;

Фиг.17 - поясняющее изображение, показывающее нагрузку относительно каждого из первого времени сохранения Тр1 и второго времени сохранения Тр2;

Фиг.18 - поясняющее изображение, показывающее нагрузку относительно каждого из первого времени сохранения Тр1 и второго времени сохранения Тр2;

Фиг.19 - поясняющее изображение, показывающее верхний предел давления Р1 и нижний предел давления Р2 относительно тока нагрузки;

Фиг.20(а) - поясняющее изображение, схематично показывающее емкость Rs стороны топливного электрода в блоке топливных элементов и емкость Rt вмещающей части; и Фиг.20(b) показывает, что новый водород втекал в блок топливных элементов в количестве приблизительно 1/4 от емкости топливной системы;

Фиг.21 - поясняющее изображение верхнего предела давления Р1 и нижнего предела давления Р2; и

Фиг.22 - поясняющее изображение скорости падения давления.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Первый вариант осуществления изобретения

Фиг.1(а) представляет собой блок-схему, схематично показывающую структуру системы 100 топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Система 100 топливного элемента устанавливается, например, на транспортном средстве, которое представляет собой подвижный объект, причем транспортное средство приводится в движение с помощью электрической энергии, подаваемой из системы 100 топливного элемента.

Система 100 топливного элемента, в основном, оборудуется блоком 1 топливных элементов, включающим в себя множество упакованных топливных элементов. Каждый из топливных элементов, включенных в блок 1 топливных элементов, сформирован так, что структура топливного элемента находится между парой разделителей, причем структура топливного элемента имеет такую структуру, что топливный электрод 67 (см. фиг.4) и электрод 34 окислителя (см. фиг.4) перемежаются твердой полимерной электролитной мембраной.

В блоке 1 топливных элементов пара внутренних проточных каналов, соответствующих каждому из топливного газа и газа-окислителя, сформирована так, чтобы распространяться в направлении упаковки топливного элемента. Один из пары внутренних проточных каналов (трубопроводов), соответствующий топливному газу; что касается подающего внутреннего проточного канала как первого внутреннего проточного канала, топливный газ подается к каждой реакционной поверхности стороны топливного электрода 67 по каналам потока газа стороны топливного электрода 67 (проточные каналы элемента) индивидуальных топливных элементов, что касается выпускного внутреннего проточного канала как второго внутреннего проточного канала, газ (далее называемый "отходящий газ топливного электрода"), выпускаемый из каждого канала потока газа стороны топливного электрода 67 индивидуальных топливных элементов, течет в выпускной внутренний проточный канал. Аналогично, один из пары внутренних проточных каналов, соответствующий газу-окислителю; что касается подающего внутреннего проточного канала как первого внутреннего проточного канала, газ-окислитель подается к каждой реакционной поверхности стороны электрода 34 окислителя по каналам потока газа стороны электрода 34 окислителя (проточные каналы элемента) индивидуальных топливных элементов, что касается выпускного внутреннего проточного канала как второго внутреннего проточного канала, газ (далее называемый "отходящий газ электрода окислителя"), выпускаемый из каждого канала потока газа стороны электрода 34 окислителя индивидуальных топливных элементов, течет в выпускной внутренний проточный канал. Блок 1 топливных элементов согласно первому варианту осуществления сконструирован методом противотока, при котором топливный газ и газ-окислитель текут в противоположных друг другу направлениях.

В каждом из индивидуальных элементов блока 1 топливных элементов электрохимически реагируют топливный газ и газ-окислитель, которые соответственно подаются на топливный электрод 67 и электрод 34 окислителя, генерируя электрическую энергию.

Согласно первому варианту осуществления объяснение дается для случая использования водорода в качестве топливного газа и воздуха в качестве газа-окислителя. Кроме того, в этом описании термины "топливный элемент", "топливный электрод" и "электрод окислителя" используются не только для обозначения одного топливного элемента, или его топливного электрода, или электрода окислителя, но также используются для одновременного обозначения каждого из топливных элементов блока 1 топливных элементов, или их топливных электродов, или электродов окислителя.

Система 100 топливного элемента дополнительно включает в себя водородную систему для подачи водорода в блок 1 топливных элементов и воздушную систему для подачи воздуха в блок 1 топливных элементов.

В водородной системе водород в качестве топливного газа хранится в топливном баке 10 (например, водородный баллон высокого давления) и подается из топливного бака 10 в блок 1 топливных элементов по проточному каналу подачи водорода (входной проточный канал топливного электрода) L1. Более конкретно, проточный канал L1 подачи водорода имеет первую концевую часть, присоединенную к топливному баку 10, и вторую концевую часть, присоединенную к входной стороне внутреннего проточного канала подачи топливного газа блока 1 топливных элементов. В проточном канале L1 подачи водорода клапан стока из бака (не показано на фиг.1) находится ниже по потоку от топливного бака 10. Перевод клапана стока из бака в открытое состояние позволяет водородному газу высокого давления из топливного бака 10 механически снижать давление до заданного давления с помощью редукционного клапана (не показано на фиг.1), расположенного ниже по потоку от топливного бака 10. Этот водородный газ пониженного давления дополнительно снижает давление с помощью вентиля 11 регулировки давления водорода, расположенного далее ниже по потоку от редукционного клапана, и затем подается в блок 1 топливных элементов. Давление водорода, подаваемого в блок 1 топливных элементов, то есть давление водорода в топливном электроде 67, может регулироваться путем контроля степени открытия вентиля 11 регулировки давления водорода. Согласно первому варианту осуществления топливный бак 10, проточный канал L1 подачи водорода и вентиль 11 регулировки давления водорода, который расположен в проточном канале L1 подачи водорода, составляют систему HS подачи водорода (систему HS подачи топливного газа) для подачи водорода на топливный электрод 67 блока 1 топливных элементов.

Согласно первому варианту осуществления блок 1 топливных элементов имеет такую структуру, что выходная сторона выпускного внутреннего проточного канала топливного газа является, в основном, закрытой, ограничивая, таким образом, выпуск отходящего газа топливного электрода из блока 1 топливных элементов, то есть блок 1 топливных элементов включен в систему 100 топливного элемента, которая организована как так называемая закрытая система. Здесь закрытая система не означает строгого закрытого состояния. Для выпуска из топливного электрода 67 примесей, таких как неактивный газ (азот и подобные) и жидкая вода, здесь расположена, в виде исключения, выпускная система, способная открывать выходную сторону выпускного внутреннего проточного канала топливного газа. Более конкретно, проточный канал отходящего газа топливного электрода (выпускной проточный канал) L2 соединяется с выходной стороной выпускного внутреннего проточного канала топливного газа. Проточный канал L2 отходящего газа топливного электрода имеет вторую концевую часть, присоединенную к проточному каналу L6 отходящего газа электрода окислителя.

В проточном канале L2 отходящего газа топливного электрода расположена вмещающая часть (вмещающее устройство) 12, имеющая заданную емкость Rs (см. фиг.20) в виде пространства, причем заданная емкость Rs, например, эквивалентна, точно или приблизительно, 80% емкости стороны топливного электрода 67 для всех топливных элементов, включенных в блок 1 топливных элементов. Вмещающая часть 12 функционирует в качестве буфера для первичного хранения примесей, содержащихся в отходящем газе топливного электрода, входящем со стороны топливного электрода 67. На фиг.1 проточный канал L3 выпуска воды, имеющий открытую первую концевую часть, присоединен к нижней части вмещающей части 12 в вертикальном направлении, и вентиль 13 выпуска воды обеспечен в проточном канале L3 выпуска воды. Примеси (главным образом, жидкая вода), содержащиеся в отходящем газе топливного электрода, входящем во вмещающую часть 12, сохраняются в нижней части вмещающей части 12. Регулировка состояния открыто-закрыто вентиля 13 выпуска воды может выпускать сохраняемые таким образом примеси. Кроме того, в проточном канале L2 отходящего газа топливного электрода расположен продувочный вентиль (заслонка) 14 ниже по потоку от вмещающей части 12. Отходящий газ топливного электрода, входящий во вмещающую часть 12, более конкретно, газ, содержащий примеси (главным образом, неактивный газ, такой как азот) и непрореагировавший водород, может выпускаться путем регулировки состояния открыто-закрыто продувочного вентиля 14.

Проточный канал отходящего газа топливного электрода (выпускной проточный канал) L2, вмещающая часть (вмещающее устройство) 12 и продувочный вентиль (заслонка) 14 образуют ограничитель 70.

Между тем, необходимо направлять воздух в качестве газа-окислителя воздушной системы. Например, воздух сжимают, когда атмосферу отбирают с помощью компрессора 20, подавая воздух в блок 1 топливных элементов с помощью проточного канала L5 подачи воздуха. Проточный канал L5 подачи воздуха имеет первую концевую часть, присоединенную к компрессору 20, и вторую концевую часть, присоединенную к входной стороне внутреннего проточного канала подачи газа-окислителя блока 1 топливных элементов. Кроме того, проточный канал L5 подачи воздуха имеет увлажнитель 21 для увлажнения воздуха, подаваемого в блок 1 топливных элементов.

В блоке 1 топливных элементов проточный канал L6 отходящего газа электрода окислителя присоединен к выходной стороне внутреннего проточного канала выпуска газа-окислителя. При этом отходящий газ электрода окислителя от электрода 34 окислителя в блоке 1 топливных элементов выпускается наружу с помощью проточного канала L6 отходящего газа электрода окислителя. Проточный канал L6 отходящего газа электрода окислителя имеет увлажнитель 21, удаляющий воду, образующуюся при генерировании (эта удаляемая вода используется для увлажнения подаваемого воздуха). Кроме того, в проточном канале L6 отходящего газа электрода окислителя расположен вентиль 22 регулировки давления воздуха ниже по потоку от увлажнителя 21. Регулировка степени открытия вентиля 22 регулировки давления воздуха может регулировать давление воздуха, подаваемого в блок 1 топливных элементов, то есть давление воздуха электрода 34 окислителя. Согласно первому варианту осуществления компрессор 20, проточный канал L5 подачи воздуха и вентиль 22 регулировки давления воздуха, который расположен в проточном канале L6 отходящего газа электрода окислителя, составляют систему подачи OS газа-окислителя для подачи воздуха на электрод 34 окислителя блока 1 топливных элементов.

Кроме того, устройство 30 отбора выходной мощности для контроля выходной мощности (например, тока), отбираемой из блока 1 топливных элементов, присоединяется к блоку 1 топливных элементов. Посредством устройства 30 отбора выходной мощности энергия, генерируемая в блоке 1 топливных элементов, подается, например, в электрический двигатель (мотор), приводящий в движение транспортное средство (не показано на фиг.1), вторичную батарею и различные приспособления, необходимые для выполнения работы блока 1 топливных элементов. Кроме того, энергия, генерируемая с помощью устройства 30 отбора выходной мощности, также подается на вторичную батарею (не показано на фиг.1). Эта вторичная батарея обеспечена для восполнения недостатка энергии, подаваемой из блока 1 топливных элементов, в таких случаях, как запуск системы 100 топливного элемента или во время переходной характеристики системы 100 топливного элемента.

Контроллер (устройство управления) 40 функционирует, административным образом регулируя систему 100 топливного элемента. Работая согласно программе контроля, контроллер 40 регулирует условия работы системы 100 топливного элемента. Микрокомпьютер, включающий в себя такие основные компоненты, как центральный процессор (ЦП), ПЗУ, ОЗУ и интерфейс ввода/вывода (I/О-интерфейс), может использоваться в качестве контроллера 40. Согласно программе контроля, сохраняемой в ПЗУ, контроллер 40 выполняет различные вычисления. Затем на различные приводы (не показаны на фиг.1) контроллер 40 выводит результаты таких вычислений в виде контрольных сигналов. Таким образом, контроллер 40 контролирует различные элементы, такие как вентиль 11 регулировки давления водорода, вентиль 13 выпуска воды, продувочный вентиль 14, компрессор 20, вентиль 22 регулировки давления воздуха и устройство 30 отбора выходной мощности, тем самым выполняя функцию генерирования блока 1 топливных элементов.

Для определения условий системы 100 топливного элемента сигналы датчиков от различных датчиков и подобного входят в контроллер 40. Согласно первому варианту осуществления различные датчики включают в себя датчик 41 давления водорода, датчик 42 давления воздуха и датчик 43 температуры блока. Датчик 41 давления водорода детектирует давление водорода, подаваемого в блок 1 топливных элементов, датчик 42 давления воздуха детектирует давление воздуха, подаваемого в блок 1 топливных элементов, и датчик 43 температуры блока определяют температуру блока 1 топливных элементов.

Согласно первому варианту осуществления контроллер 40 контролирует систему 100 топливных элементов следующим образом. Сначала контроллер 40 подает воздух и водород в блок 1 топливных элементов, тем самым выполняя генерирование с помощью блока 1 топливных элементов. Давление (рабочее давление) каждого из воздуха и водорода, которые подаются в блок 1 топливных элементов, предварительно устанавливается на заданное стандартное значение, которое является постоянным независимо от рабочей нагрузки, или на различные значения, которые меняются соответственно рабочей нагрузке. Затем контроллер 40 подает воздух и водород при заданном рабочем давлении, тем самым выполняя генерирование блока 1 топливных элементов. В качестве одного признака первого варианта осуществления, при подаче водорода на топливный электрод 67 блока 1 топливных элементов контроллер 40 периодически изменяет давление водорода на топливном электроде 67 блока 1 топливных элементов на основании первого профиля изменения давления для выполнения изменения давления при первом размахе давления (перепаде давления) и второго профиля изменения давления для выполнения изменения давления при втором размахе давления (перепаде давления), который превышает первый размах давления. Более конкретно, контроллер 40 повторно выполняет основные контрольные профили, то есть множество первых профилей изменения давления с последующим вторым профилем изменения давления. При выполнении изменения давления контроллер 40 прекращает подачу водорода в блок 1 топливных элементов, и при условии, что давление водорода на топливном электроде 67 блока 1 топливных элементов снижено путем заданного размаха давления (первый размах давления или второй размах давления), контроллер 40 повторно начинает подачу водорода в блок 1 топливных элементов, тем самым позволяя давлению водорода на топливном электроде 67 блока 1 топливных элементов возвращаться к рабочему давлению. Открытие и закрытие вентиля 11 регулировки давления водорода выполняет остановку или повторное начало подачи водорода в блок 1 топливных элементов. Следя за величиной, определяемой датчиком 41 давления водорода, можно непрерывно контролировать падение давления водорода, которое эквивалентно размаху давления.

Кроме того, фиг.1(b) представляет собой блок-схему, схематично показывающую другую структуру системы 100 топливного элемента согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Данная структура устраняет вентиль 13 выпуска воды, оставляя только продувочный вентиль 14. С указанной выше структурой регулировка условия открыто-закрыто продувочного вентиля 14 может выпускать газ, содержащийся в отходящем газе топливного электрода, то есть газ, содержащий примеси (главным образом, неактивный газ, такой как азот, и жидкая вода) и непрореагировавший водород.

Далее приведена концепция системы 100 топливного элемента, принимающей указанную структуру и способ контроля.

Ввиду улучшенной экономии топлива и уменьшения приводной мощности различных приспособлений для работы блока топливных элементов, работа системы 100 топливного элемента при низком стехиометрическом отношении (иначе называемом "низкое отношение избытка подачи реагирующего газа") и низкой величине потока снижает скорость потока реагирующего газа (водорода или воздуха), текущего в проточном канале газа (проточный канал элемента) в каждом из топливных элементов блока 1 топливных элементов. При этом примеси, ненужные для реакции генерирования, например жидкая вода или нереагирующий газ (главным образом, азот), вероятно накапливаются в проточном канале газа, что может препятствовать распределению реагирующего газа, необходимого для генерирования. В этом случае выходная мощность блока 1 топливных элементов снижается, и генерирование блокируется, кроме того, катализатор, необходимый для реакции, может ухудшаться.

Например, следует принять во внимание состояние блока 1 топливных элементов для выполнения генерирования с помощью следующих операций: подача воздуха на электрод 34 окислителя блока 1 топливных элементов; ограничение выпуска отходящего газа топливного электрода из блока 1 топливных элементов; и постоянная подача водорода в количестве, эквивалентном водороду, затраченному на топливном электроде 67. В индивидуальном топливном элементе азот в воздухе подвергается поперечной утечке в проточный канал газа стороны топливного электрода 67 из проточного канала газа стороны электрода 34 окислителя посредством твердой полимерной электролитной мембраны, включенной в топливный элемент. Между тем в проточный канал газа стороны топливного электрода 67 течет водород эквивалентно водороду, потребляемому реакцией генерирования, путем конвекционного течения. Однако, так как выходная сторона внутреннего проточного канала выпуска топливного газа закрыта, втекающий, таким образом, азот заталкивается в сторону ниже по ходу (выходную сторону) канала протока газа путем конвекции водорода. Азот топливного электрода 67 не расходуется реакцией генерирования. Поэтому утечка азота от электрода 34 окислителя непрерывно увеличивает содержание азота на топливном электроде 67 до тех пор, пока его парциальное давление на стороне электрода 34 окислителя не сравняется с парциальным давлением на стороне топливного электрода 67.

Фиг.2(а)-2(с) представляют собой поясняющие изображения, показывающие состояния водорода на стороне топливного электрода 67 в топливном элементе. Фиг.2(а) показывает линии тока водорода в проточном канале газа стороны топливного электрода 67. Здесь ось абсцисс указывает расстояние (в направлении канала протока газа) канала протока газа, причем левая сторона оси абсцисс соответствует входной стороне канала протока газа, а правая сторона оси абсцисс соответствует выходной стороне канала протока газа. Между тем ось ординат указывает высоту канала протока газа, причем нижняя сторона оси ординат соответствует реакционной поверхности. Кроме того, фиг.2(b) показывает распределение концентрации водорода в канале протока газа стороны топливного электрода 67. Подобно фиг.2(а) ось абсцисс указывает расстояние (в направлении канала протока газа) канала протока газа, тогда как ось ординат указывает высоту канала протока газа. На фиг.2(b) область а1 указывает диапазон концентрации водорода от 93% до 100%, область а2 указывает диапазон концентрации водорода от 83% до 93%, и область а3 указывает диапазон концентрации водорода от 73% до 83%. Кроме того, область а4 указывает диапазон концентрации водорода от 63% до 73%, область а5 указывает диапазон концентрации водорода от 53% до 63%, область а6 указывает диапазон концентрации водорода от 43% до 53%, и область а7 указывает диапазон концентрации водорода от 33% до 43%. Кроме того, фиг.2(с) показывает распределение концентрации водорода на реакционной поверхности стороны топливного электрода 67. Здесь ось абсцисс указывает расстояние канала протока газа, причем левая сторона оси абсцисс соответствует входной стороне канала протока газа, тогда как правая сторона оси абсцисс соответствует выходной стороне канала протока газа. Между тем ось ординат указывает концентрацию водорода.

Как указано выше, приток от поперечной утечки азота и приток водорода позволяют топливному электроду 67 иметь часть, где концентрация азота является высокой, т.е. часть, где концентрация водорода является низкой. Более конкретно, в топливном элементе нижняя по потоку сторона (выходная сторона) канала протока газа имеет тенденцию к дополнительному снижению концентрации водорода. Кроме того, непрерывная генерирование из такого состояния дополнительно снижает концентрацию водорода в части, где концентрация водорода является низкой.

Фиг.3 представляет собой поясняющее изображение, схематично показывающее топливный элемент. Как показано на фиг.3(а), вдоль потока реагирующего газа восемь точек измерения тока от #1 до #8 соответственно предполагаются на поверхности генерирования энергии топливного элемента. Фиг.3(b) показывает временные переходы распределения тока в отдельных точках измерения от #1 до #8. Более конкретно, как указано пунктирной линией со стрелкой, переход распределения тока в каждой из точек измерения от #1 до #8 смещается от штрихпунктирной линии к штриховой линии и к сплошной линии. То есть на начальном этапе генерирования концентрация водорода в канале потока газа является, по существу, однородной, поэтому, как показано штрихпунктирной линией, величины тока в точках измерения от #1 до #8, по существу, равны друг другу. Однако непрерывное выполнение генерирования снижает концентрацию водорода на выходной стороне канала потока газа, таким образом, как показано штриховой линией или сплошной линией, величины тока на выходной стороне канала потока газа падают, и концентрация тока возникает на входной стороне канала потока газа. В таких случаях трудно продолжать стабильную генерирование, и генерирование может быть в итоге заблокировано. Кроме того, так как вышеуказанное локальное падение тока трудно определять, как может быть в данном случае, выходная мощность от блока топливных элементов постоянно отбирается с незамеченным падением тока.

Фиг.4 представляет собой вид в разрезе, схематично показывающий структуру топливного элемента. Структура 150 топливного элемента, включенная в топливный элемент, имеет такое строение, что твердая полимерная электролитная мембрана 2 находится между топливным электродом 67 и электродом 34 окислителя, где данные два электрода (реактивные электроды) являются парными. Твердая полимерная электролитная мембрана 2 включает в себя, например, ионопроводящую макромолекулярную мембрану, такую как фторполимерная ионообменная мембрана, и функционирует как ионопроводящая электролитная мембрана путем насыщения водой. Электрод 34 окислителя включает в себя каталитический слой 3 на основе платины, несущий на себе катализатор, такой как платина, и газодиффузионный слой 4, включающий в себя пористое тело, такое как углеродное волокно. Электрод 67 включает в себя каталитический слой 6 на основе платины, несущий на себе катализатор, такой как платина, и газодиффузионный слой 7, включающий в себя пористое тело, такое как углеродное волокно. Кроме того, разделители (не показано на фиг.4), отделяющие структуру 150 топливного элемента от обеих сторон соответственно, имеют каналы протока газа 5, 8 для подачи реагирующих газов (водород и воздух) к индивидуальным реагирующим электродам.

Когда продолжается генерирование, кислород одновременно с азотом течет от стороны электрода 34 окислителя к стороне топливного электрода 67, вследствие чего кислород движется к стороне топливного электрода 67. Кроме того, вода, образующаяся при реакции генерирования, присутствует на стороне электрода 34 окислителя. Кроме того, газодиффузионный слой 4 или разделитель (не показано), то есть элементы, включенные в канал протока газа в топливном элементе или элементы для удерживания катализатора, главным образом, включают в себя углерод. При этом следующие реакции промотируются в области (область В на фиг.4), где водород подается слабо.

Уравнение 1

Сторона топливного электрода 67: О₂+4Н⁺ +4е^- →2Н₂О

Сторона электрода 34 окислителя: С+2Н₂О→СО₂+4Н⁺ +4е^-

Согласно Уравнению 1 углерод в структуре топливного элемента реагирует с водой, образующейся на стороне электрода 34 окислителя, вследствие чего генерируется диоксид углерода на стороне электрода 34 окислителя. Это значит, что структура в топливном элементе разрушается. Углерод включен в каждый элемент, образующий канал протока газа, структура, несущая на себе катализатор, вызывающий реакцию, структура газодиффузионного слоя 4 и структура разделителя превращаются в диоксид углерода, что ведет к ухудшению топливного элемента.

Кроме того, следующие процессы также видны на топливном электроде 67. Явление обратной диффузии движет воду реакции генерирования от стороны электрода 34 окислителя в твердую полимерную электролитную мембрану 2, или конденсированная вода в водороде, который увлажняют и подают, как может быть в данном случае, остается в канале протока газа. В случае когда жидкая вода в форме водяных капель присутствует в канале протока газа, не возникает существенных проблем. Однако в случае когда жидкая вода широко распространяется в форме мембраны, покрывая канал протока газа со стороны газодиффузионного слоя 7, жидкая вода препятствует подаче водорода к реакционной поверхности, образуя, таким образом, части с низкой концентрацией водорода. Это может приводить к ухудшению топливного элемента подобно вышеописанному случаю на стороне электрода 34 окислителя.

Неудобство, вызванное жидкой водой в канале протока газа, обычно распознается, и осуществляется способ выпуска жидкой воды. Однако без жидкой воды топливный элемент ухудшается. То есть явление ухудшения топливного элемента (катализатора) вызывается недостатком водорода на топливном электроде 67, и поэтому важно устранять возникновение такой части с недостатком водорода (например, части с объемной концентрацией приблизительно 5% или меньше). Причиной снижения концентрации водорода в газе на стороне топливного электрода 67 является то, что азот, содержащийся в газе на стороне электрода 34 окислителя, проникает на сторону топливного электрода 67. Следовательно, необходимо получать надлежащую величину проницаемости азота. Поэтому сначала величину проницаемости азота (величину утечки азота сквозь твердую макромолекулярную мембрану) в единицу времени относительно каждой из физических величин (парциальное давление азота, температура и влажность) проверяют с помощью экспериментов или моделирования, результаты которых показаны на фиг.5 и 6.

Фиг.5 представляет собой поясняющее изображение, показывающее величину утечки азота относительно разности парциального давления азота между электродом 34 окислителя и топливным электродом 67. Фиг.6 представляет собой поясняющее изображение, показывающее отношение между окружающей влажностью и величиной утечки азота соответственно окружающей температуре, где, как показано пунктирной линией со стрелкой, величина утечки азота относительно окружающей влажности увеличивается соответственно увеличению окружающей температуры, то есть Темп1, Темп2, Темп3 и Темп4. Как показано на фиг.5, количество азота, проникающего от стороны электрода 34 окислителя на сторону топливного электрода 67 (величина утечки азота), тем больше, чем боль