CN100438186C - 防止燃料电池动力设备中的水在贮存过程中结冰的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池动力设备(10)，一般为质子交换膜(PEM)型燃料电池动力设备的保温系统。该保温系统防止动力设备中对冻结敏感的部分，例如燃料电池堆组件(CSA)(12)和水管理系统(28，30)在极冷的外部温度条件下在7天或更长的持续贮存(CSA关闭)期间发生冻结。该系统使用预先贮存的加压燃料，一般为氢(25)，通常被用作供给CSA阳极(16)的燃料，作为在催化燃烧器(66)中进行催化氧化反应的燃料。氢或其它适当的燃料与氧化剂例如空气(22)进行催化反应，以生成受热气体，其对流通过与动力设备(10)的对冻结敏感的部分(12，28，30)相关联的热交换装置。通常在200℉-700℉条件下，已反应的氢和空气的热量将受热气体分散至动力设备(10)的所需部分并形成导致空气流向燃烧器(66)的对流流动。该对流流动消除了对附加电力负载例如泵和鼓风机的需求。一个或多个热绝缘装置(64)充分罩住对冻结敏感的燃料电池堆组件(12)和/或水管理系统(28，30)，以及来自催化燃烧器(66)的受热气体的对流流动，以提高系统的热效率。

Description

防止燃料电池动力设备中的水在贮存过程中结冰的方法和设备
技术领域
本发明涉及燃料电池，特别涉及适于或希望在运输车辆中使用或作为便携式或固定动力设备的燃料电池动力设备。更具体而言，本发明涉及在闲置和贮存过程中防止在燃料电池动力设备，且特别是质子交换膜(PEM)型燃料电池动力设备中的水结冰的方法和设备。
背景技术
燃料电池动力设备通常被用于从氧化和还原流体，例如分别为氧或空气，和氢中产生电能。该电能可被用于在多种环境中包括在航天器、陆上车辆和/或在多种其它固定的和移动的应用中为电气设备提供动力。在这些动力设备中，通常将数个平面燃料电池布置成一叠堆，该燃料电池堆接收和/或提供还原性反应物流例如氢，氧化性反应物例如氧或空气，冷却剂和产物流体。每一单个电池通常包括一个接收氢反应物的阳极，一个接收氧化剂反应物的阴极，和在阳极和阴极之间的电解质例如质子交换膜(PEM)。每一个电池通常还包括用于引入、流经和/或去除冷却剂和产物流体如水的相关结构。
尽管具有重要优势，但是燃料电池，特别是质子交换膜(PEM)型燃料电池还具有与液体水在电池中进行传输、流经和流出电池相关的限制。在寒冷条件下使用这些燃料电池为运输车辆或其它设备提供动力引起一些与水管理方面相关的额外关注，例如防止由产物水和/或任何冷却水流体结冰而引发机械损伤，并使在产物水和/或任何冷却水流体结冰情况下重新启动延迟的不便最小化。在使用燃料电池动力设备驱动车辆的应用中，一般要求在环境温度低至-40℃即低于冰点温度的条件下，在10秒钟内能够启动并开走车辆，且极冷至-50℃时不会产生永久性损伤。若在贮存过程中形成冰则不能满足该启动条件，必须在仅使用内部动力引导启动之前使这些冰解冻。
2001年8月22日提交的美国专利申请No.09/935,254“耐冻结动力装置”中描述了一种提供耐冻结燃料电池动力装置的方法，其中该专利申请被转让给了本申请的受让人。在该专利申请中，一种具有耐冻结蓄水池的排水系统在停机时被用于去除冷却通道中的水，其中该耐冻结蓄水池含有与水不互溶的流体和冷却水。通过补充加热与水不互溶的流体而为防止在短时停机时冷却水发生冻结而预先采取一些措施。然而，对于较长时间停机即在冰点以下天气中“贮存”多天，系统蓄水池部分中的水分发生冻结且需要过多的时间和能量进行熔化以实现启动。
2001年7月5日公布的申请号为WO 01/48846A1的PCT国际申请PCT/CA00/01500题为“增加燃料电池堆温度的方法和设备”中描述了一种在寒冷的环境温度条件下至少在工作、简单停机和重新启动期间保持电池堆组件适当的工作温度的方法。该申请描述了在冷却剂流动通道或在反应物流动通道内的燃烧燃料反应物和氧化剂反应物在工作、简单停机和/或重新启动期间将燃料电池堆组件加热到所需温度。在一些环境中，包括电池堆部件的保温方法可以是合乎需要的，但是通常需要更复杂，因此更高成本的控制设计。需要更加严格的要求以防止电池堆部件经受能够造成不可修复的损伤的极端温度或其它极端条件。由于其复杂性，这些方法还将需要更多能量且因此要求更多燃料消耗，由此使可利用的贮存保护时间受到限制。
即使可从储存的燃料反应物例如H2中得到熔化强冷冻而形成的冰所需的能量，但是在10秒钟内能够产生的熔化结冰所需正功率超过了动力设备自身的额定功率。若燃料反应物通过燃烧被直接用于加热，那么这种快速熔化所需的热可损坏该系统，并将严重耗尽燃料供给。
因此，本发明的一个目的在于提供一种即使在非常寒冷的条件下停机贮存相对较长时间间隔后能使燃料电池动力设备快速产生功率的装置。
本发明的另一个目的在于使用燃料电池燃料源提供前述性能。
本发明的又一个目的在于以燃料-高效的方式提供前述性能。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池动力设备的保温系统。该燃料电池动力设备可包括一个具有(多个)阳极、(多个)阴极、(多层)质子交换膜和一般是水输送板的冷却器的质子交换膜(PEM)型燃料电池堆组件(CSA)。然而，该保温系统可用于任何种类的燃料电池动力设备，该燃料电池动力设备包含部件和/或在-50℃的温度条件下易于发生冻结的流体。该动力设备还包括用于将富氢燃料例如氢至少供给至阳极的装置，例如氢储罐，和用于供给阴极氧化剂反应物，例如空气的源装置。该动力设备包括水管理系统。根据本发明的保温系统，还提供一个或多个用于动力设备的热绝缘罩，其中包括燃料电池堆组件(CSA)，水管理系统以及将热量对流供给其中的绝缘罩和动力设备部件的催化燃烧器。该被储存的氢有选择地被用于给催化燃烧器加燃料。氢被供给至催化燃烧器，在此与空气供给混合并接触燃烧器的催化表面以在中等温度条件下，通常在200°-700°F(93℃-371℃)的范围内实现放热的无焰氧化反应。该热量含在燃烧气体中，并通过对流被带入或通过绝缘罩，以进行热量交换且加热含在其中的动力设备的对冻结敏感的部件。该对流热量是主要的保温加热源。
流向催化燃烧器的氢燃料和空气流速不需要很大，且可通过有选择地从储存装置中供给预先加压的氢和结合引入由受热气体对流流动而产生的外部环境空气很容易地进行设置。通过调节流速和/或作为在需要防止发生冻结的对冻结敏感的部件处或附近通常感应到的温度的函数的流量间隔，而对流到燃烧器的氢流量和由此的至少部分生成的热量进行调节。该温度阈值或控制温度一般为约5℃(40°F-45°F)。
燃料电池堆组件(CSA)和水管理系统可位于公共的热绝缘罩内，且可被布置以用于最优化利用含在以热交换方式通过或穿过的对流传输气体中的热量。另一种选择是，可以存在多个绝缘罩，每一绝缘罩含有动力设备的不同部分，和适当的受热气体在其间进行流动的连通通道。若需要，还可包括用于受热气体的各种热交换器。设置适当的冷却废气排气装置和从该冷却中冷凝用的排水设备。
加压氢气、吸入空气、催化燃烧器、对流热流和绝缘罩的前述装置向动力设备提供了足够的热量，以使其在长时间“贮存”期间不会发生冻结。在仅使用储存氢且基本没有驱动附加负载例如泵和/或鼓风机的电力的情况下，根据外部温度和可用的氢供给，贮存期可为7天或更长。虽然所述动力设备为氢燃料的装置，但是该保温方式还可使用其它种类的气体或轻质液体燃料，例如汽油。在使用汽油的情况下，该燃烧器系统需要加入燃料蒸发器，以在气体到达催化燃烧器之前将该气体蒸发。
以下，结合附图对本发明的典型实施例进行详细描述以更清楚地理解本发明的前述特征和优点。
附图说明
图1是一个根据本发明构造的用于燃料电池动力设备的保温系统的示意图；以及
图2在多个冰点以下温度条件下要求保持燃料电池堆组件在不同时间间隔条件下不发生冻结的典型氢燃料箱的分数的曲线图。
具体实施方式
详细参照附图，图1示出了大体上根据本发明所述的耐冻结动力设备10。图1中的该动力设备10在许多方面都与前述美国专利申请No.09/935,254所描述的动力设备相似，一些附加细节可作参考。然而，本发明发现应该考虑在以下所述应用之外的在其它燃料电池动力装置中的应用，这样更加易于理解。动力设备10包括燃料电池堆组件(CSA)12，其包括如现有技术中所公知的从还原性反应物(或燃料)和氧化性反应物(或氧化剂)产生电流的一个(为简单起见如此所述)或典型地多个燃料电池。CSA 12中的每一个燃料电池包括电解质14例如质子交换膜(PEM)，相邻设置在电解质14对侧的阳极16和阴极18。冷却器20，可以是质子交换膜(PEM)型燃料电池中的水输送板(WTP)，其与阴极18相邻。
氧化剂供给装置22(图1中标注“空气”处)将氧化性反应物例如空气经鼓风机23引至并通过阴极18，并经排气装置24排出燃料电池堆组件(CSA)12。还原剂或燃料供给装置25(图1中标注“H2”处)将还原性反应物例如氢气引至并通过阳极16，并经排气装置26排出燃料电池堆组件(CSA)12。燃料供给装置25(以下称为“氢供给装置25”)实际上可以是来自气源例如丙烷、丁烷、天然气等的富氢气体供给，其通常被称作“氢”。该氢供给装置25最好为一个在压力下储氢的容器(箱)。如先前所述，这一燃料供给还可含有汽油或其它易汽化的液体燃料。除氢以外的燃料源通常要求燃料处理器将燃料转化成富氢气流。
冷却器20是冷却剂主回路28的一部分，冷却剂主回路依次又是动力设备10的冷却剂/水管理系统30的一部分。冷却剂主回路28还包括位于冷却器20的冷却剂排出口32和冷却剂供给通道33之间的冷却剂循环器例如泵31，经该冷却剂供给通道33泵入冷却水，经冷却剂供给通道33，经将冷却剂中夹杂的任何反应气体排出动力设备10的气体分离器34，并经过冷却剂供给通道33的第一延长部35进入冷却剂换热器36。然后，冷却水经过冷却剂供给通道33的第二延长部38，冷却剂供给通道33的第三延长部40，最后流回冷却器20。
冷却剂换热器36可以是液/液型冷却剂换热器，同时它也构成了冷却剂二级回路41的一部分，该二级回路包括循环泵42和冷却剂二级散热器与风扇43。该冷却剂二级回路41可含有传统的防冻溶液，例如乙二醇或其他和水。
在燃料电池堆组件12中，包括在冷却器20中会残留少量水，必须注意将气体分离器34中的水和冷却水保持在冻结温度之上，至少用于短期贮存如过夜。通过将一个或多个温度传感器62布置在动力设备10中的一些对冷敏感的关键地方并将其与控制器63相连接，感知环境温度状况，且如传感器62和控制器63所控制和确定的，在必要和合适时提供如下所述的必要热量，至少可部分实现这一点。
根据本发明设有一个绝缘罩64，该绝缘罩64装入、含有和/或另外热绝缘和隔离动力设备10或至少动力设备10的重要和关键部分，且与绝缘罩64相连的催化燃烧器66对流提供有效的补充热源。这种绝缘罩64和催化燃烧器66的组合被用于至少向动力设备10的温度关键部分对流提供热量，即便在外部环境温度低于-40℃的条件下长期贮存后，例如7天或更长时间，也足以保持动力设备能够在10秒钟内启动。该催化燃烧器66被对流供给富氢燃料，例如来自燃料电池动力设备10的H2源25的氢气，和氧化剂，例如空气源22，最好是不需要使用需要动力的“附加”泵或鼓风机进行输送的环境空气或预加压空气。该绝缘罩64可由多种合适的热绝缘材料形成，这些热绝缘材料提供足够的热绝缘性质且易于成形和装配以容纳动力设备10的相关部分。考虑到所占空间和重量，因此优选使用单位厚度具有较高“R”值的材料。
在图1的实施例中，动力设备10的燃料电池堆组件12和包括气体分离器34的冷却剂/水管理系统30全部被容纳在一个公共的绝缘罩64内。被供给来自H2源25的氢气和来自氧化剂源的空气的催化燃烧器66被安置与绝缘罩64内部直接对流连通，优选朝向绝缘罩的下端部或下部区域，用于以对流方式向绝缘罩64内部供给热量。虽然催化燃烧器可位于外部并通过较小的引入管或盖在绝缘罩64的下部实现连通，但是在本实例中，所示催化燃烧器66位于绝缘罩64之内。这一催化燃烧器66和氢源25及氧化剂源22不需要附加动力，如泵和/或鼓风机。这样，充足的热量从现有燃料源被动有效地供给至动力设备10中对冻结敏感的元件，以确保那些元件在低冻结外部条件，如冷至-40℃的条件下持续贮存例如7天或更长时间后也不会发生冻结。排气孔68位于绝缘罩64的上部区域，以在排放燃烧气体的一些热能至动力设备10所含元件之后，排出经燃烧器66燃烧的气体以促进对流流动。相似地，一定程度上，这种燃烧气体热能的排放造成气体冷凝成液态，例如水，通过引流池70将这种液体从绝缘罩64上除去。该排气孔或引流池68，70等优选包括阀门、盖或帽，当燃烧器66不工作时，在较冷外部条件下将它们关闭。
更详细地参看该催化燃烧器66，设置催化剂表面72，在催化剂表面之上产生氢的流动或产生的氢的流动穿过催化剂表面。该催化剂表面72可为其上可装载适当的催化剂例如铂或其它适合的贵金属的筛网、泡沫材料或相似支承结构。在有催化剂表面72和空气的情况下，氢进行与燃烧相类似的反应，通常无焰并产生热量。该热量在温度低于1000°F(537℃)，一般在200°-700°F(93℃-371℃)范围下被排放，而在本申请中最好在更高的温度条件下另外被扩散燃烧器排放。后者更高的温度对燃料电池动力设备10中的元件具有破坏性，且需要进行效率很低的预先冷却。
来自供给装置25的氢通常在贮存时预先加压，然后如温度传感器62和控制器63的程序所确定的，或是连续地，或是间歇地被排放至燃烧器66，控制器63依次又通过控制线69控制氢供给装置控制阀67。感应到的温度低于约40°-45°F(4.4℃-7.2℃)这一范围时一般被用于激活补充热量的指令。在此温度阈值为5℃。控制器63和控制阀67的应用可为该系统中仅有的电力负载，大多数情况下最低限度地和/或间歇地进行使用。相似的，氧化剂供给装置22会或可以借助催化剂表面72处氢的燃烧热从外部环境空气中被对流吸入。这样，不需要其它的附加泵或鼓风机的进一步协助就可以将空气吸入反应区中。最好可将空气和氢混合接触催化剂表面72。然后，催化燃烧器66燃烧产生的受热气体对流向上被吸入绝缘罩64相对较冷的内部，以对燃料电池动力设备10中的冻结关键元件提供所需加热。对燃烧器66的空气供给装置22通常足够支持对流流动。然而若有需要，可进一步引入补充空气。
前述实施例旨在将燃料电池堆组件12的温度保持在冻结温度之上，如在环境温度低至-40℃的条件下最低温度保持在约5℃，且使得在10秒钟之内开机启动和产生驱动功率。该实施例不依赖管网电力和附加电力负载，例如泵和鼓风机，它们在持续贮存期间则另外需要进行“保温”操作。这样就防止消耗标准12V(120V-hr)汽车用电池，该种电池一般为小容量储能装置(例如1.44kw-hr)，不足以在贮存期间用于进行有效电加热或在任何重要时期用于驱动附加载荷。
图2是基于模型推测的，在多个冰点以下温度和不同的绝缘罩厚度条件下要求保持燃料电池堆组件在不同时间间隔条件下不发生冻结的典型氢燃料箱的分数的曲线图。在典型燃料贮存箱中的氢在当充满时，重约1.6公斤(Kg)或3.5磅(1bs)，且符合从UTC Fuel Cells，LLC of South Windsor，CT购买到的75kw质子交换膜(PEM)型燃料电池的使用要求。该曲线图绘出了提供保持CSA最低为5℃的能量水平(热当量)所需的H2所占分数。很明显，120安培-小时电池能量容量有限。另一方面，对于环境热状态为-10℃--40℃，对于绝缘罩厚度为1-5英寸(2.5厘米-12.7厘米)，对于贮存时间间隔为1-7天来说，保持CSA最低为5℃的所需H2的量的范围是：从中等冷、厚绝缘罩和1天贮存期条件下的远小于满箱的1/16(如满箱的1/100～1/50)，至极冷、薄绝缘罩和7天贮存期的严苛条件下的满箱的1/4。
在实例中，选择空气流和氢气流的参数，使得当进入的环境空气温度为-40°F(-40℃)时，在燃烧器66出口的气体温度为250°F(121℃)。该空气流量为10pph，且氢气流量为0.014pph。从如图1所示的围绕该燃料电池堆组件的绝缘罩中排出的气体温度约为50°F(10℃)。另一方面，空气和燃料流速相同时，但当进入的空气温度约为30°F(-1.1℃)时，在燃烧器出口处的温度为320°F(160℃)。若H2完全燃烧，氢气流量0.014pph相当于约200瓦。明显地，随外部温度变化，能够/会调节流向催化燃烧器66的H2流量，且这种调节可以是调节连续流的流速或恒定流速的间歇流，或上述二者的组合。实际上，即便在以上给定的实例中，也可以不需要以提到的流速下的H2气连续流保持燃料电池堆组件处于或高于5℃，甚至在-40°F(-40℃)的条件下。
由此可以认识到：本发明使用的清洁燃烧、高能量、装载有氢的对流式催化燃烧器装置提供了一种保持燃料电池动力设备在较长时间内易于操作，且几乎很少或不要求给附加电力负载提供动力的高效且有效的方式。
尽管已对本发明的典型实施例进行了描述和说明，本领域的普通技术人员应理解：在不偏离本发明的精神和范围的情况下可对前述实施例以及各种其它变型进行任何省略和添加。根据动力设备中的元件对受热气体的敏感度，可通过气体/空气换热器等进行热量交换。根据对动力设备和/或绝缘罩的物理结构的限制，可以存在多个绝缘罩，其中每一个都包含动力设备中对冻结敏感的部分。在用单个燃烧器提供受热气体对流流动的情况下，在绝缘罩之间设置气体通道。

Claims (8)

1、一种用于燃料电池动力设备(10)的保温系统，包括：
a.一个具有阳极(16)、阴极(18)、电解质(14)和冷却器(20)的燃料电池堆组件；
b.用于提供至少一些作为反应物供给至阳极(16)的燃料的供给的燃料供给装置(25)；
c.可操作地供给至阴极(18)的氧化剂反应物源(22)；
d.可操作地连接至燃料电池堆组件(12)的冷却器(20)上的水管理系统(30，28)；
e.用于提供热绝缘的罩住燃料电池堆组件(12)和水管理系统(30，28)中的至少一个的热绝缘装置(64)；和
f.可操作地与燃料供给装置(25)和用于与使燃料和氧化剂发生催化反应并提供热源的氧化剂反应物源(22)相连接的催化燃料燃烧器装置(66)，该燃烧器装置(66)被设置且用于向热绝缘装置(64)和在热绝缘装置(64)中的燃料电池堆组件(12)和水管理系统(30，28)中的至少一个供给受热气体.
2、根据权利要求1所述的保温系统，其中该燃烧器装置(66)包括用于在有氧化剂存在的条件下以无焰的方式进行燃料的燃烧反应，以仅在低于1000°F的加热范围内释放热量的催化表面(72).
3、根据权利要求2所述的保温系统，其中燃烧器装置(66)进行催化燃烧时所释放出的热量的加热范围在200°F-700°F之间.
4、根据权利要求2所述的保温系统，其中该氧化剂反应物源(22)为环境空气，该空气被供给至催化燃烧器装置(66)并与来自燃料供给装置(25)的燃料进行混合，用于在存在催化表面(72)的情况下使氧化剂反应物以及燃料进行燃烧反应以释放热量.
5、根据权利要求1所述的保温系统，其中该燃料供给装置(25)包括在压力下储氢的容器.
6、根据权利要求1所述的保温系统，其中燃料电池堆组件(12)和水管理系统(28，30)二者被热绝缘装置(64)罩住.
7、根据权利要求4所述的保温系统，其中燃料电池堆组件(12)的电解质(14)是质子交换膜，来自燃料供给装置(25)的燃料是氢，且催化燃烧器装置(66)的加热范围在200°F-700°F之间.
8、在具有包括阳极(16)、阴极(18)、电解质(14)和冷却器(20)的燃料电池堆组件(12)、用于至少为阳极(16)提供燃料的燃料供给装置(25)、至少供给至阴极(18)的氧化剂反应物源(22)、可操作地连接至燃料电池堆组件(12)的冷却器(20)上的水管理系统(30，28)的燃料电池动力设备(10)中，防止水在停机时燃料电池动力设备(10)中发生冻结的方法包括以下步骤：
a.在停机时使燃料(25)和氧化剂(22)流动(62，63，69，67)至催化燃烧器装置(66)，用于进行催化燃烧以提供受热气体；
b.使受热气体对流流动至与燃料电池动力设备(10)相关联的热传递装置，以向那里提供热量；以及
c.热绝缘燃料电池动力设备(10)，包括在与该动力设备相关联的热传递装置内流动的受热气体.
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