CN100423341C - 环境压力下采用部分空气加湿的燃料电池系统的操作方法 - Google Patents
环境压力下采用部分空气加湿的燃料电池系统的操作方法 Download PDFInfo
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Abstract
提供一种能在高温及近环境压力工作的，对输送到燃料电池组的空气局部加湿的燃料电池系统。电池组的燃料电池在其阴极装有阴极扩散阻挡层。所述的系统包括一个使液态冷却液通过电池组循环的冷却回路。在某些实施例中，引入的空气由从气体交换加湿器阴极排气流传递的水蒸气或由热函轮局部加湿。在其他一些实施例中，采用阴极再循环局部加湿引入的空气。空气和阴极排气流的湿度保持低于电池组的饱和点。还提供了操作这种燃料电池系统的方法。
Description
技术领域
本发明涉及在或接近环境压力工作的燃料电池系统，特别涉及在或接近其中部分空气加湿的环境压力工作的燃料电池系统，以及这类系统的工作方法。
背景技术
在技术上人们都知道燃料电池。燃料电池使一种包括氢的燃料流和一种包括氧的氧化剂流发生电化学反应而产生电流。燃料电池已应用于交通、移动及固定电源应用中。
在聚合物电解质薄膜(FEM)燃料电池工作中，水控制问题是关键性的。要求薄膜加湿以保持最佳性能。因为薄膜水含量降低，可能使它失去迁移质子的能力，电阻提高，燃料电池性能降低，薄膜可能失效。为保证薄膜充分加湿，通常对输送到燃料电池组的反应物流进行加湿。同时，必须排除存在于阴极的水，这些水是在阴极产生的，或由于电渗牵引从阳极跨越薄膜传送来的，如不排除这些水，可能浸没阴极。
已采用多种方法加湿输送到燃料电池的反应物流。例如，使反应物流和液态水在一种透水薄膜的相反的侧面流动，可以加湿反应物。燃料电池产生的水可在反应物排气流中冷凝，然后用于加湿。水蒸气或雾化水滴也可注入到反应物流中。使氧化剂流和氧化剂排气流在一个综合热及湿度交换装置中的透水薄膜的相反侧面流动，也可使氧化剂流加热和加湿。在US 6007931及共同转让的US 6416895B1中，说明了这种装置的例子。
当然，在其他系统要求的范围内，也必须考虑水控制问题。例如，在诸如汽车系统的许多应用中，高功率密度(单位体积的功率输出能力)工作是必要的，这是操作局部载荷的能力。在这类动态载荷条件下，保持燃料电池中合适的水的平衡可能是技术上面临的一个特别挑战。
实现这些目标的一个途径是使燃料电池组在较高压力下工作。燃料电池中反应物较高的分压支持较高的功率密度工作和较高的工作温度。跨过反应物流场较高的压力降也允许从燃料电池中用机械方法清除液态水。然而，这种方法要求昂贵的空气压缩和氢再循环设备，因而使这种发电装置成本提高、更加复杂、尺寸增大，并带来明显的附加功率损失。反应物加湿系统也使动力装置成本提高、更加复杂、尺寸增大。还可使能在高压工作的电池组零件，如密封零件的成本提高。而且，液态水的控制问题也可导致电池在动态负载状态工作不稳定。
另一种方法是采用芯吸或类似的被动装置向薄膜供水。例如，UTC Fuel Cells，LLC发展的聚合物电解质薄膜燃料电池动力装置就采用这种方法。邻接多孔阳极和/或阴极支撑层的多孔传水板很容易把水输送到阳极和/或阴极表面。这样的动力装置可以在近环境压力工作，因而可以降低源于空气压缩机的成本和功率损失。
这个方法也有一些缺点。例如，传水板和冷却液回路很复杂。工作和控制系统也很复杂：所产生的水进入冷却液回路，而又必须清除；在反应物流场和冷却水循环通道之间产生一个压力差，以促使水输送通过多孔支撑层和电池；和/或采用双冷却液回路以保证在较高环境压力下的水平衡。这种动力装置也要求具有冷起动能力的复杂系统，如在停止工作时把甲醇或乙醇引入冷却液通道，以防止存在这里的水冻结，或者引入一种不挥发的有机防冻液到传水板中。而且，在具有多孔传水板的聚合物电解质薄膜燃料电池中采用零相对湿度反应物流进行工作，最终将导致聚合物电解质薄膜电解质的干燥；US2002/0068214A1公开了引入一种阳极和/或阴极电解质干燥阻挡层可以限制电解质中水的损失。为保持充分的水平衡所做的这些工作涉及到附加的成本、重量及体积的增加、以及燃料电池性能的损失，并往往要求复杂的控制装置。
US 6451470B1和CA 2342825A1公开了在垂直于薄膜方向具有透气性梯度的气体扩散层，这种扩散层阻止水透过薄膜扩散(一种“气体扩散阻挡层”，或GDB)。这使得燃料电池可在没有对反应物外部加湿的情况下工作。通过以较高的化学计量把空气输送到阴极流场，这种气体扩散阻挡层结构也可以对燃料电池进行空气冷却。例如，CA2342825A1申请公开所采用的空气比，即化学计量为8-70。
然而，使用这类无源的水控制系统的环境压力燃料电池系统不适于高功率密度应用和/或在高温下工作。例如US 6451470专利公开了如果以环境压力输送空气，采用气体扩散阻挡层的燃料电池最高工作温度约为75℃。按照这个US 6451470专利，在较高温度，具有足够低的水的有效扩散系数的一种气体扩散阻挡层已不能保证反应物气体(特别是氢)的充分扩散，虽然提高空气压力使工作温度得到提高(见第3栏，第29-42行)。实际上，US 6451470专利公开的这个系统证明：在近环境空气压力下，当功率密度超过503mA/cm2(毫安/厘米2)时，其性能急剧降低(见第7栏，第50-60行)。已经发表的采用UTCFuel Cell多孔双电极板的电池组的结果揭示了在65℃的最佳性能(见D.J.Wheeler等人的论文，新材料电化学系统杂志，2001年第4期，P233-238)。
希望有一种在不要求清除液态水或输入压缩空气情况下可在较高电流密度和较高温度保持燃料电池水平衡的燃料电池发电装置。本发明解决了普通燃料电池发电装置的缺点，并提供相关的优点。
发明内容
本发明提供了一种燃料电池系统及其操作方法。也提供了燃料电池动力装置和装有本燃料电池系统的车辆。
在一些实施例中，本燃料电池系统包括：一个燃料电池组；一个把燃料输送到电池组的燃料系统；一个在近环境压力下把空气输送到电池组的鼓风机；一个与输送到电池组的空气流和流出电池组的阴极排气流流体相连的，用于把阴极排气流中的水蒸气加入到空气流的加湿装置；一个用于使液态冷却液通过电池组循环的冷却液回路。电池组中的燃料电池装有一个阴极气体扩散阻挡层。
在其他一些实施例中，本燃料电池系统包括：一个由具有阴极扩散阻挡层装置的燃料电池构成的燃料电池组；一个把燃料输送到电池组的燃料系统；一个在近环境压力下把空气输送到电池组的空气输送装置；一个传递阴极排气流的水蒸气到输送到电池组的空气中的加湿装置；一个用于使液态冷却液通过电池组循环的冷却液回路。
本燃料电池系统可以是用作车辆的动力装置的组成部分；可以作为固定应用联合发电的组成部分，或作为移动电源、备用电源或UPS(不间断电源)的发电机的一部分。
在某些实施例中，本发明的方法包括：在近环境压力下把化学计量过剩的空气输送到电池组；把阴极排气流输送到加湿装置；保持空气相对湿度低于电池组进口饱和点；保持阴极排气流相对湿度低于电池组出口饱和点；使电池组在高于约75℃的一个温度工作。
附图说明
图1和2简略表示本发明燃料电池系统的实施例。
在这些附图中，用相同的标号标识类似元件或作用。图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各元件的形状和角度没有按比例绘制，某些元件任意放大和定位，以改进图的清晰度。而且，所绘制的元件的特殊形状并不传递有关该特定元件实际形状的任何信息，选择这种形状仅仅为了容易在图中识别。
具体实施方式
在下文的说明中，陈述了某些专门的细节，以便对本发明各实施例有一个全面的理解。然而，技术人员都知道，没有这些细节，也可以实施本发明。在其他情况中，与燃料电池、燃料电池组、蓄电池、燃料电池系统相关的，众所周知的结构，不作显示和详细说明，以避免对本发明实施例进行不必要的烦琐陈述。
除非另有要求，在下面的整个说明书及权利要求书中，术语包括(comprise)及其变化形式按开放形式而包容的含义解释为“包括，但不限于”。术语“鼓风机”涉及鼓风机、风扇和类似装置，用于在或近环境压力下把气体流输送到燃料电池组。
本燃料电池系统可以在不要求清除液态水或输送压缩空气情况下使在高电流密度和高温工作的燃料电池组中的各燃料电池保持充分的水平衡。本燃料电池系统可以装入到一种燃料电池动力设备。而且，这种燃料电池动力设备可以使用到各种应用中，如以燃料电池为电源的车辆的发动机。
图1简略示出本燃料电池系统的一个实施例。正常工作时，氢通过阀门10输送到电池组14的聚合物电解质薄膜燃料电池的阳极12，空气由可变速鼓风机16输送到阴极18。氢和空气中的氧电化学反应产生电功率。液态冷却液通过泵20的作用在电池组冷却液回路22和辐射器24之间循环，以保持电池组14在合适的工作温度范围。
电池组14的阴极装有一个气体扩散阻挡层(GDB)，以协助保持燃料电池薄膜充分的加湿。气体扩散阻挡层是一个气体扩散层，包括一个离开薄膜并保持间距的区域，这个区域的水蒸气透气性低于紧邻薄膜的一个区域，这种阻挡层阻止水蒸气离开薄膜而扩散。气体扩散阻挡层合适的材料包括具有横向流体通道的膨胀石墨板材，如US 6521369B1专利所述那样，这种板材在与薄膜接触的表面上有较大的开口，而在与燃料电池板接触的表面上有较小的开口。另一方面，如US 6451470B1所述，可以利用由固体或液体材料局部填充或涂覆的能降低水蒸气渗透性的多孔电极材料。如CA 2342825A1所述，也可以使用一种层压件，这种层压件中，至少有一层较低的水蒸气渗透性层(阻挡层)，另有一层较高的水蒸气渗透性层。这种阻挡层可以包括具有机械制的开口(例如，像膨胀石墨板那样)的基本上不渗透的材料，其开口由材料或微孔材料填充或局部填充。这种气体扩散层的选择和设计对于本发明燃料电池系统并不是本质的，技术人员可以方便地选择适合特定应用的气体扩散阻挡层。这种气体扩散阻挡层应能在局部功率条件下在选定的温度保持燃料电池薄膜充分加湿。
空气在或近环境压力下输送到电池组14。例如，在本系统的某些实施例中，与电池组空气输送相关的压力降约为0.3-0.5psid(20-35mbar)[0.3-0.5磅/英寸2(20-35毫巴)]。在这类实施例中，空气化学计量可为约1.2-3.0。
空气通过过滤器26引入，过滤器清除颗粒物，也可清除其他杂质，如二氧化碳和/或碳氢化合物。过滤的空气进入通风箱28，在此由电池组14局部预热。电池组14预热这种引入的空气后，热空气随较高温度阴极排气流而排除，因此，作为这种明显加热的结果，降低了燃料电池系统总体散热要求。此外，电池组14的任何氢泄漏都收集到通风箱28中，并与引入的空气混合，消耗在阴极18中。然而，这种通风箱对于本燃料电池系统来说并不是本质的，在其他实施例中予以省略。
预热空气流向气体交换加湿器30的“干”侧面，经由阴极排出流进入加湿器30的“湿”侧面而对空气进一步加热并局部加湿。如有必要，可打开节气门32，使至少一部分阴极排出流再循环到电池组14。例如，在部分电源工作时，和/或为了降低加湿器30的负荷，可以使用阴极再循环。
合适的气体交换加湿器可以装有半渗透性薄膜，例如离子交换和纸薄膜。共同转让给本申请人的US 2001/0046616A1公开了一种合适的气体交换加湿器例子。然而，气体交换加湿器的选择对于本燃料电池系统不是本质的，技术人员可以方便地选择适合于特定应用的加湿器。
虽然鼓风机16可以位于加湿器30的上游，但如有必要，通过干侧面引入空气可以导致在湿侧面上略高的压力。薄膜的任何泄漏都可导致阴极排气流与空气混合。这相当于部分的阴极再循环，是加湿器30的一种可接受的失效方式。例如，由于限制性的密封要求较少，这可在设计或选择加湿器时节约成本。
图2简略示出本燃料电池系统的另一个实施例。图2的系统采用空气鼓风机36和阴极再循环鼓风机38分别单独控制空气和阴极排气流再循环流量。此外，用一个热函轮40局部加湿输送到电池组14的空气流。在技术上人们都知道热函轮；例如，可从Emprise Corporation(Marietta，GA)购得的，并结合堇青石陶瓷蜂窝材料的热函轮可能是适合的。当然，特定热函轮对于本燃料电池系统并不是本质的，技术人员可以方便地选择适合于特定应用的这类装置。
在某些实施例中，在起动时，可以把空气和燃料输送到电池组，燃料电池在低负载低电压工作，以促进内热的产生。随着电池温度的提高，负载可能提高，使燃料电池中产生的水蒸气分压低于饱和压力，以保证空气/阴极排气流仍保持欠饱和。另一方面，空气和燃料可以以一种可控方式在燃料电池的阴极催化燃烧，以加热电池组。一种催化加热器可以结合到冷却液回路中，空气和燃料可以在这种加热器中燃烧，加热在电池组循环的冷却液。另一方面，在起动时，可以驱动旁路阀门34，使冷却液旁路绕过辐射器24。在其他实施例中，在起动时，空气也以高的化学计量输送到电池组。
在高功率输出时，较高温度工作(例如高于75℃)是必须的。如前所述，较高的工作温度提高了冷却系统的散热能力。例如，在汽车应用中，因为辐射器正面面积和性能难于提高，其散热是电池组最大功率输出的一个限制因素。因此，提高冷却系统散热能力可以使汽车应用中的燃料电池动力装置具有较高的发动机额定功率。在较高温度工作也为固定应用提供较高的联合发电温度，为间断应用提供较好的温度下降特性。
本燃料电池系统采用欠饱和空气输入。就是说，输送到本燃料电池系统的空气的相对湿度低于进入电池的饱和点，阴极排气流的相对湿度保持在低于电池出口的饱和点。除了可在近环境压力较高温度工作外，输入欠饱和空气工作也可阻挡或基本防止液态水在电池组中凝结和聚焦。相对于采用液态水控制的类似燃料电池系统，这样做还具有另外一些优点。例如，不要求液态水控制设备，如气体/水分离器、放水弯管、去离子或颗粒水过滤器、或水箱、或溢流箱。这就可以降低本燃料电池系统的成本和复杂性。又例如，可以降低通过冷却液系统的冷却液用量。电池组中存在的产品水基本上或完全处于蒸气相；因此，液态产品水的凝结热不必通过冷却液排除。也可以降低或消除由于燃料电池被浸没造成的性能损失。又如，因为减少了电池组中液态水的冻结，或者不冻结，可以提高耐冻能力或冷起动能力。而且，由于液态水在电池组中造成的零件腐蚀较低，腐蚀产物也较少，这就导致较长的电池组寿命，并可使用低成本的材料。
在某些实施例中，本燃料电池系统可以在较低温度工作较低功率输出，以及在较高温度工作较高功率输出。在较低功率输出时，因为如上所述阴极气体扩散阻挡层有能力阻止水蒸气扩散离开薄膜，可以不要求对空气流外部加湿，或只少量外部加湿。同时，可以利用较高的空气化学计量，有助于保持阴极流场欠饱和状态。
在较高温度，可以利用较低的空气化学计量。与采用未加湿反应物的阴极气体扩散阻挡层的普通电池系统相比，这有助于降低电池组中的水损失。和采用空气冷却的普通系统不同，本燃料电池系统不要求随工作温度提高而提高空气化学计量，并可保持电池组的散热能力。因此，经采用一种液态冷却液，在本燃料电池系统中，空气化学计量和冷却液流量相互没有影响。
在另外的实施例中，在高功率输出时，可以提高本燃料电池系统中的风扇速率或辐射器输出。伴随发生的附加功率损失的小幅提高可以被抵消，因为冷却系统性能明显提高，而且降低了燃料电池最高工作温度。
在另一个实施例中，控制空气输送系统中鼓风机的速率，为在给定工作温度工作的电池组输送的空气流提供所需要的加湿量。例如，控制鼓风机速率可以改变引入空气在气体交换加湿器或热函轮中的停留时间。停留时间越长，热和水蒸气从阴极排气流到空气流的传递速率越大。在另外的实施例中，阴极排出流再循环到引入的空气流的量由温度控制，以实现同样的结果。在又一些实施例中，鼓风机速率保持恒定，由温度控制输送到电池组的空气量，以提供输送到电池组所需要的加湿量。例如，可以利用可控阀门、节气门、或分流器改变从鼓风机输送到电池组的空气量。也可以综合使用上述控制手段。
在图示实施例中，输送到电池组14的氢是紧密封闭的。如有必要，阳极12可以被吹净经一段时间累积而聚集的惰性气体。例如，可以把阳极吹净气体引入通风箱28，在这里被引入的空气稀释到低于4％，而在阴极18被消耗。如有必要，可以采用其他装置处理阳极的排气，包括在一个分离的燃料室中对它催化燃烧，或把它排入大气环境中。在一些选择的实施例中，代之以采用一个氢再循环系统。尽管这时氢的输送必须是不密闭的。例如，在另一些实施例中，燃料电池系统包括一个氢处理系统，对燃料进行改造，产生富氢改良产品流用于电池组。如有必要，阳极排气可以燃烧。以产生热能用于这个处理步骤的上游或下游。最后，氢源和氢输送系统的结构对于本燃料电池系统并不是本质的，技术人员可以方便地设计适合给定应用的氢输送系统。
同样，液态冷却液的选择对于本燃料电池系统也不是本质的。合适的冷却液包括去离子水，乙二醇，以及它们的混合物。其他合适的液态冷却液对于技术人员来说，也是显而易见的。虽然图示实施例中说明了一个辐射器，但是，只要能够实现燃料电池组的充分冷却，在本燃料电池系统中也可用其他热交换装置替代。
虽然图示实施例采用了一种气体交换加湿器或热函轮，但本燃料电池系统不受限于这些外部空气加湿装置。也可以采用能回收阴极排气流中的水蒸气的其他加湿装置。同样，虽然图示实施例采用了一个阴极再循环回路，但本燃料电池系统不只要求一个。
在某些实施例中，阴极排出流最好用于加湿引入的空气流，因为这样可以降低或取消本燃料电池系统对蓄水系统的要求。然而，在某些应用中，如较大的固定电站，这类蓄水系统的尺寸和/或成本的增加只是一个较小的问题。因此，在本燃料电池系统的某些实施例中，除用阴极排气流加湿空气外，也可用一种分开的水源加湿输送的空气。
本申请人已经确定，一种在电池组中采用阴极气体扩散阻挡层的燃料电池系统，不能在高温及采用高化学计量未加湿空气情况下工作，以及不能在没有干燥燃料电池薄膜及近环境压力下工作。在本燃料电池系统中，空气流的部分加湿可以使电池在近环境压力下高温工作，同时保持燃料电池性能。同时，把液态水的清除降至最低或不需要清除，因此降低由于加压工作和浸没带来的附加损失。如前所述，本燃料电池系统也避免了与无源的水控制系统有关的问题。
本说明书参考的和/或本申请数据表所列的上述所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请、以及非专利出版物，在这里全部引用参考。
由以上所述可知，虽然为了解释本发明已经说明了本发明的专门实施例，但是，只要不背离本发明的精神和范围，可进行各种改进。因此，除附录的权利要求书外，这些说明并不限制本发明。
Claims (10)
1. 一种操作燃料电池系统的方法，所述的燃料电池系统包括一个燃料电池组，燃料电池组包括多个具有阴极扩散阻挡层的电池，所述的方法包括：
在近环境压力把化学计量大于1的空气输送到电池组；
把阴极排气流输送到一个加湿装置；
保持空气相对湿度低于电池组进口饱和点；
保持阴极排气流的相对湿度低于电池组出口饱和点；
使电池组在高于75℃的温度下工作。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在20-50mbar的压力把空气输送到电池组。
3. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，以1.2-3.0的化学计量把空气输送到电池组。
4. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括随燃料电池系统对外界负载的功率输出降低而提高空气化学计量。
5. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括随电池组温度提高而降低空气化学计量。
6. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使液态冷却液循环通过电池组。
7. 按照权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括使冷却液循环通过一个热交换器。
8. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，由鼓风机把空气输送到电池组，所述的方法还包括：
检测代表电池组温度的电池组工作参数；
按照检测的参数改变鼓风机速率。
9. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括把至少一部分阴极排气流返回到电池组。
10. 按照权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
检测代表电池组温度的电池组的一种工作参数；
按照检测的参数，改变一部分阴极排气流返回电池组。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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Granted publication date: 20081001 Termination date: 20140303 |