CN100470909C - 具有冷却装置的高温燃料电池系统及使该系统运行的方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有冷却装置的高温燃料电池系统及使该系统运行的方法。燃料电池系统包括：包括多个膜电极组件和导电板的电池堆；连接于电池堆并向阳极提供含氢气体的阳极入口管路；连接于电池堆并排出阳极产生的副产物和未反应的含氢气体的阳极出口管路；连接于电池堆并向阴极提供氧的阴极入口管路；连接于电池堆并排出阴极产生的副产物和未反应的氧的阴极出口管路；安装于阳极入口管路的冷却装置；从含氢气体内去除水分的水分去除器件。通过使含氢气体经过冷却装置来降低含氢气体的温度而关闭高温燃料电池系统；通过向电池堆提供含氢气体并使其不经过冷却装置而使高温燃料电池系统运行。本发明的电池系统在其停止运行时能有效去除进入电池堆的含氢气体中的水蒸汽。

Description

具有冷却装置的高温燃料电池系统及使该系统运行的方法
技术领域
本发明涉及具有冷却装置的高温燃料电池系统以及使该系统运行的方法。更具体地说，本发明涉及一种通过降低进入燃料电池系统的含氢气体的温度、利用安装在含氢气体旁通管路上的水分去除器件来提高水分去除效率的高温燃料电池系统，以及使该系统运行的方法。
背景技术
燃料电池是一种通过包含在烃类材料诸如甲醇、乙醇或天然气内的氧和氢之间的化学反应将化学能直接转化为电能的发电系统。根据使用的电解质类型可将燃料电池分为磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、和聚合物电解质膜燃料电池或碱性燃料电池。这些燃料电池都基于相同的工作原理，但是根据燃料的种类、工作温度、催化剂和电解质它们具有各自的工作性能。
聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)与其他燃料电池相比具有的优势是优良的输出、低的工作温度、启动迅速和快速反应时间，并且是用于汽车、便携产品、家居和小型商业应用的优选燃料电池。
PEMFC的聚合物电解质膜通常由如全氟磺酸聚合物(perfluorosulfonicacid polymer)、例如NAFIONTM之类的聚合物电解质形成。聚合物电解质膜通过含有适量的水起高离子导电体的作用。
传统的PEMFCs由于聚合物电解质膜的干燥问题而在100℃以下工作，例如，约工作于80℃。传统的PEMFCs因较低的工作温度存在下列问题。通过重整如天然气或甲醇之类的有机燃料可获得作为PEMFC的代表性燃料的富氢气体。在重整过程中，不仅二氧化碳而且一氧化碳可作为副产品存在于富氢气体中，且一氧化碳可使包含在阴极和阳极中的催化剂中毒。中毒的催化剂的电化学活性大大降低，因此极大地降低了PEMFC的工作效率和使用寿命。PEMFC的工作温度越低，由于一氧化碳导致的催化剂中毒就越严重。
当PEMFC的工作温度高于150℃时，由一氧化碳导致的催化剂中毒可以避免，PEMFC的水处理更容易控制。因此，燃料重整器可以缩小并可简化冷却装置，从而使整个PEMFC系统缩小。
用于高温燃料电池的电解质膜采用酸代替水作为氢离子导电体。因此，维持电解质膜内的酸浓度非常重要。因为酸是水溶性的，很容易从与水接触的电极析出。因此，必须避免酸直接与水接触。在常规的工作条件下，因为燃料电池的工作温度约为150℃，水不以液态而以蒸汽形式存在。
但是，当燃料电池的工作停止时，随着燃料电池电池堆的冷却，在电极上将产生水。于是，包含在电解质膜内的酸就会析出。因此，即使在燃料电池冷却时防止水产生于电极层也是重要的。
美国专利6,492,044已经公开了一种在燃料电池内包含干燥剂以防止在燃料电池冷却时在电极处产生水的方法。但是，该方法不能充分地从电极孔中去除水蒸汽，而且随着单元燃料电池数的增加必须使用更多的干燥剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有冷却装置的高温燃料电池系统，冷却装置在高温燃料电池系统工作停止时能有效去除进入燃料电池电池堆的含氢气体中的水蒸汽。本发明另一目的是提供一种使所述高温燃料电池系统运行的方法。
本发明的一方面提供一种具有冷却装置的高温燃料电池系统，包括：包括多个膜电极组件(MEAs)和多个与每一电极接触的导电板的燃料电池电池堆，每个薄膜电极组件具有位于包含酸的电解质膜两表面的阳极电极和阴极电极；连接于燃料电池电池堆并向阳极电极提供含氢气体的阳极入口管路；连接于燃料电池电池堆并排出在阳极电极处产生的副产物和未反应的含氢气体的阳极出口管路；连接于燃料电池电池堆并向阴极电极提供氧的阴极入口管路；连接于燃料电池电池堆并排出在阴极电极处产生的副产物和未反应的氧的阴极出口管路；安装在阳极入口管路、降低含氢气体温度的冷却装置；和用来从含氢气体内去除水分的水分去除器件。
安装于水分去除器件之前的冷却装置可以连接在旁通管路上，该旁通管路沿阳极入口管路的气体流动方向被安装于水分去除器件的前面。
旁通管路可以包括一些选择性地允许含氢气体流过冷却装置的阀门。
冷却装置可以包括包围旁通管路且使冷却水流过的管。
根据本发明的又一方面，冷却装置可以是具有处于旁通管路内侧的冷端(coldjunction)和处于旁通管路外侧的热端的热电元件。
水分去除器件可以是干燥剂。
根据本发明的另一方面，提供一种使具有冷却装置的高温燃料电池系统运行的方法，该方法包括通过使含氢气体流过冷却装置降低含氢气体的温度而关闭高温燃料电池系统；和通过向燃料电池电池堆提供含氢气体并使其不经过冷却装置而使高温燃料电池系统运行。
关闭所述高温燃料电池系统的步骤可以包括将含氢气体的温度冷却到高于含氢气体的露点的温度。
附图说明
本发明的上述和其他特征和优势通过参照附图详细描述的一些示例性实施方式将变得更加清楚明白。附图中：
图1是本发明的高温燃料电池系统的结构示意图；
图2是应用于本发明的单元电池的结构剖视图；
图3是本发明一实施方式的冷却装置的结构剖视图；
图4是本发明另一实施方式的冷却装置的结构剖视图。
具体实施方式
现在将参照示出了本发明的一些示例性实施方式的附图对本发明进行更详细的说明。为清楚起见，在这些附图中，夸大了层和区域的厚度。
图1是本发明的高温燃料电池的结构示意图。
参照图1，本发明的高温燃料电池系统100包括燃料电池电池堆20，其具有几十或几百个单元电池10。如图2所示，每个单元电池10包括膜电极组件(MEA)。MEA包括位于饱含磷酸的电解质膜11的第一表面上的阳极电极12和位于该电解质膜的第二表面上的阴极电极13。。导电板14和15分别向形成在MEA两个表面的电极12和13提供含氢气体和含氧气体。附图标记14a和15a表示气流通道。
向阳极电极12提供含氢气体的阳极入口管路31和用以使由阳极电极12产生的反应物和未反应的含氢气体从阳极电极12排出的出口管路32与燃料电池电池堆20连接。向阴极电极13提供含氧气体(空气)的阴极入口管路33和用以使由阴极电极13产生的反应物和未反应的空气从阴极电极13排出的出口管路34与阴极电极13连接。燃料电池电池堆20包括通孔22，其连接阳极入口管路31、阳极出口管路32、阴极入口管路33和阴极出口管路34。燃料电池电池堆20包括至少四个通孔22，但是为解释方便，图1示出了两个通孔22。每个通孔22分别与四条气体管路31至34的每一条连接。
本发明的阳极入口管路31包括用于含氢气体的旁通管路40。在旁通管路40的两端安装有第一和第二三通阀41和42。旁通管路40包括用来冷却含氢气体的冷却装置50。冷却装置50将含氢气体从150℃冷却至高于含氢气体的露点温度。
用来去除包含在流过冷却装置50的含氢气体中的水蒸汽的水分去除器件60被安装在阳极入口管路31上位于第二三通阀42和燃料电池电池堆20之间。水分去除器件60可以吸收含氢气体中的水分。水分去除器件是通过吸收溶解电解质膜11内所含的酸的水分来去除含氢气体中的水分的。水分去除器件60可以是与经过阳极入口管路31的含氢气体接触的干燥剂。所述干燥剂可以是，例如，硅胶或分子筛。
向高温燃料电池系统100的阳极电极12提供的含氢气体的温度约150℃，其组成大致是CO2+5H2+H2O。
同时，当高温燃料电池系统停止运行时，向阳极电极12提供的含氢气体被冷却至室温，此时，在1mol水中，5/6mol是液态，1/6mol是蒸汽。如果在阳极电极12处存在液态水，液态水就会溶解电解质膜11的磷酸，导致电解质膜11内的磷酸浓度降低，从而降低燃料电池的效率。
本发明的冷却装置50用来冷却被用于通过阳极出口管路32排出残留在阳极电极12处的水的含氢气体的温度，而水分去除器件60用来迅速去除包含在被冷却的含氢气体内的水。
冷却装置50将进入阳极电极12的含氢气体的温度从150℃降低到高于露点65℃的温度，例如降到70-75℃。当含氢气体的温度降低时，水分去除器件60能迅速从含氢气体内去除水分。即，冷却装置50增加了被水分去除器件所去除的水分量。经过水分去除器件60的含氢气体通过阳极出口管路32排出残留在阳极电极12处的水。
图3是本发明一实施方式的冷却装置的结构剖视图。参照图3，冷却装置50包括包围含氢气体流经的旁通管路40的管51。管51包括入口52和出口53，流经旁通管路40的含氢气体被如水或空气之类的流经入口52和出口53的冷却剂冷却。
图4是本发明另一实施方式的冷却装置的结构剖视图。参照图4，本发明的另一实施方式的冷却装置50’可以是热电元件。若将冷端53设置于旁通管路40内，且在安装于所述热电元件的冷端53的两侧的p型材料54和n型材料55上施加直流电，则所述冷端53吸收热量而热端56和57散发热量。因此，旁通管路40内侧被冷却。热电元件的冷却程度可以通过控制施加在热电元件上的直流电来控制。
现在将参照图1对本发明的高温燃料电池系统的运行予以说明。
为了关闭高温燃料电池系统100，可控制第一和第二三通阀41和42，使得含氢气体流过旁通管路40的冷却装置50。冷却装置50将含氢气体的温度冷却到高于露点65℃的温度，例如冷却到70-75℃。被冷却装置50冷却的含氢气体在经过水分去除器件60去除水分后进入高温燃料电池系统20。另外，利用含氢气体，残留在阳极电极12处的水分经由阳极出口管路32被吹到外部。因此，可避免因水分造成的电解质膜11的磷酸析出，从而延长了高温燃料电池系统100的使用寿命。
为了重新启动高温燃料电池系统100，可控制第一和第二三通阀41和42，使含氢气体不流过旁通管路40。接着，温度约为150℃的含氢气体在经过水分去除器件60时将干燥剂吸收的水分蒸发并经由燃料电池电池堆20和阳极出口管路32排向外界。被干燥过的干燥剂可以在高温燃料电池关闭时再次用于去除水分。
本发明的高温燃料电池系统利用安装在旁通管路上的冷却装置降低进入水分去除器件的含氢气体的温度，提高水分去除器件的去除效率，能防止电池系统关闭时包含在电解质膜内的酸析出，因此延长了高温电解质膜的使用寿命。
尽管已参照一些示例性实施方式具体示出了本发明并对其进行了说明，本领域技术人员应当理解，在不超出由所附权利要求限定的构思和保护范围的前提下，可在形式和细节上对本发明作出各种改动。

Claims (9)

1.一种具有冷却装置的高温燃料电池系统，包括：
包括多个膜电极组件(MEAS)和多个与每个电极接触的导电板的燃料电池电池堆，每个所述膜电极组件在包含酸的电解质膜的两表面上具有阳极电极和阴极电极；
连接于所述燃料电池电池堆并向所述阳极电极提供含氢气体的阳极入口管路；
连接于所述燃料电池电池堆并排出在所述阳极电极处产生的副产物和未反应的含氢气体的阳极出口管路；
连接于所述燃料电池电池堆并向所述阴极电极提供氧的阴极入口管路；
连接于所述燃料电池电池堆并排出在所述阴极电极处产生的副产物和未反应的氧的阴极出口管路；
安装在所述阳极入口管路并降低含氢气体温度的冷却装置；和
用来从含氢气体内去除水分的水分去除器件，
其中，所述冷却装置与旁通管路相连，该旁通管路沿所述阳极入口管路的气体流动方向被安装在所述水分去除器件的前面，并且来自所述水分去除器件的含氢气体直接进入所述燃料电池电池堆。
2.如权利要求1所述的高温燃料电池系统，其中，所述旁通管路包括选择性地允许含氢气体流经所述冷却装置的阀门。
3.如权利要求1所述的高温燃料电池系统，其中，所述冷却装置包括包围所述旁通管路且使冷却水流过的管。
4.如权利要求1所述的高温燃料电池系统，其中，所述冷却装置为冷端位于所述旁通管路内而热端位于所述旁通管路外的热电元件。
5.如权利要求1所述的高温燃料电池系统，其中，所述水分去除器件是干燥剂。
6.如权利要求5所述的高温燃料电池系统，其中，所述干燥剂是硅胶或分子筛。
7.一种使如权利要求1所述的具有冷却装置的高温燃料电池系统运行的方法，该方法包括：
通过使含氢气体流过所述冷却装置降低含氢气体的温度而关闭所述高温燃料电池系统；和
通过向所述燃料电池电池堆提供所述含氢气体并使其不经过所述冷却装置而使所述高温燃料电池系统运行。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述关闭高温燃料电池系统的步骤包括将含氢气体的温度冷却到高于该含氢气体的露点的温度。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述冷却含氢气体的温度包括将含氢气体的温度冷却到70-75℃。
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