CN101023547B - 燃料电池的聚合物膜的增湿作用的控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发电系统,其包括:燃料电池(1),其包括:多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的独立的电池,该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路(11),而在阴极侧具有可燃气体输送回路;燃料气体或可燃气体之一的循环未被燃料电池消耗的气体的至少一个循环回路(12及13),该循环回路包括除湿器(3),该循环回路收集潮湿气体,使该潮湿气体通过该除湿器,并将经除湿的气体送回输送回路(11)中;其特征在于,所述循环回路包括直接回路(15),其提取一部分位于该燃料电池下游的潮湿气体,并将该潮湿气体送入该输送回路(11)而不通过该除湿器(3),该系统包括用于控制潮湿气体与经除湿的气体之间的比例的计量装置。

Description

燃料电池的聚合物膜的增湿作用的控制
技术领域
本发明涉及燃料电池,更具体而言涉及燃料电池在汽车中的应用。
背景技术
众所周知,燃料电池能够通过氢(燃料)与氧(助燃气体)之间在电化学上的氧化还原反应直接产生电能,而无需经过转化成机械能的步骤。该技术看上去有希望特别用于汽车应用领域。燃料电池通常包括串联的均主要由被电解质分隔的阳极及阴极组成的单位单元(unitaryelements)的联合体。
一种适合于汽车应用领域的电解质是固体电解质,其主要由允许离子在阳极和阴极之间通过的聚合物膜组成。该膜的一种特殊类型例如是DuPont公司以商品名“Nafion”提供的。这些薄膜必须具有良好的离子导电性,因为它们允许质子氢穿过,而且它们必须电绝缘从而使电子由电池外部的电路中通过。对于上述类型的膜以及其他用作燃料电池中的固体电解质的膜,已知膜的导电性随其水含量而变化。因此,送入电池的气体必须含有足够的水份。
对于燃料,可以使用氢气供应,或者所需氢气是在燃料电池附近通过本身例如用烃类物质供应的转化器产生的。对于可燃气体,用压缩的大气空气供应给燃料电池并从电池下游排出氧含量降低的过量气体,或者用纯氧供应燃料电池。
在正常运行期间,燃料电池消耗氢(燃料)和氧(可燃气体,由周围空气以纯氧的形式供应)。燃料电池是阳极反应侧,该反应使氢气(H2)转化成穿过聚合物膜的质子氢(2H+)以及在外部回路中循环的电子(2e-)。燃料电池同时是阴极反应侧,该反应使质子氢(2H+)、电子(2e-)与氧(1/2O2)结合生成水(H2O)。因此,燃料电池基本上在阴极气体(氧)回路中连续地产生水,水的量与由连接电池的电负载吸收的电流成正比。因此,阴极侧的气体迅速对水饱和,甚至过饱和(即除了气态水以外,还包含液态水)。
US 2002/0175010号美国专利申请指出,由电池产生的水通常用于确保阴极侧和阳极侧的聚合物膜的增湿作用。对于阳极侧的膜的增湿作用而言,即在氢气循环中,特别建议利用透水膜,其一个表面与对水饱和的空气接触,而另一个表面与氢气接触。然而,除了复合体,无法真正地调节气体中的水含量。
JP 2004/079251号专利申请描述了在电解槽或转化器内生成的氢气的除湿作用。待除湿的氢气并非来自于循环。建议通过将来自除湿器的除湿氢气与未通过除湿器的在旁路回路中循环的非常潮湿的氢气加以混合而控制氢气的增湿作用,利用上述旁路回路中的比例阀控制后一种流。
EP 1 389 806号专利申请描述了一种具有固体聚合物电解质的燃料电池,其具有特殊排列的电池内部导管,从而改进电池中的水保持区域,以控制增湿作用。JP 09/180743号专利申请建议通过调节水分离器的温度来控制水含量。所有这些文献均指出对具有固体聚合物电解质的电池实施增湿的问题,但是均未建议在所有情况下均确保对聚合物电解质膜进行正确地增湿的可靠且准确的方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够最优化送入燃料电池的气体的水含量的装置,其电解质使燃料电池具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性。在此情况下,已知在现有电解质中的一类主要由固体聚合物膜组成的电解质。
本发明提供一种发电系统,其包括:
-燃料电池,其包括:多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的、具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性的独立的电池,该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路,而在阴极侧具有可燃气体输送回路;
-燃料气体或可燃气体之一的至少一个循环回路,其循环未被燃料电池消耗的气体,该循环回路包括能够将未消耗的气体中所含的水从此除去的除湿器,该循环回路收集位于该燃料电池下游的潮湿气体,使该潮湿气体通过该除湿器,并在经除湿的气体通过该除湿器之后将该气体送回位于该燃料电池上游的输送回路中;
其特征在于,所述循环回路包括以平行于该除湿器的方式安装的直接回路,该直接回路提取一部分位于该燃料电池下游的潮湿气体,并将该潮湿气体送入该输送回路而不通过该除湿器,该系统包括用于控制潮湿气体与送回电池上游的经除湿的气体之间的比例的计量装置。
说明书下面参考附图详细地阐述本发明的所有方面。
附图说明
图1所示为安装在装配有燃料电池的汽车中的冷却回路。
具体实施方式
图1所示为具有聚合物膜形式的电解质的类型(即PEFC-聚合物电解质燃料电池-类型)的燃料电池1。然而本发明可以应用于具有在受控制的气体增湿条件下以最优化的方式运行的特性的燃料电池的任何电解质。
用两种气体,即燃料气体(例如氢气)及可燃气体(来自空气或压缩氧气罐的氧气),供应电池,将它们送入电化学电池的电极。为了简化,图1仅示出两种气体回路中的一种,即阴极侧的气体回路,其在此情况下是氧气回路(参见图中的O2输送装置)。显然应当理解,相同的配置可用于氢气侧。说明书下面涉及可燃气体的循环回路,即阴极侧的回路,而不以任何方式加以限制。
附图所示为通过进气管11与电池相连的氧气罐2,其在与燃料电池1的入口相连之前通过不同的元件。该进气管11首先通过截止阀11v,若需要通过其他阀门(未示出)。显然氧气回路形成循环,因为通过电池的气流大于被消耗的量,而且未被电池消耗的流被循环。为此目的,输送回路11由喷射器4中通过。然后,存在一个例如由旋风式分离器组成的水分离器5,即能够通过离心作用将液态水与气体分离的装置。在该旋风式分离器5的下部出口处,管道19使液态水通过燃料电池1的下游,在此重新与燃料电池1的气体的出口管12汇合。最终,输送回路11与燃料电池1的阴极回路的进料口相连。
在燃料电池1的出口处,出口管12可以延伸至除湿器3。氧气回路的洗涤装置以旁路的方式与出口管12相连,并且由洗涤阀12v加以控制。除湿器3主要由通过重力收集由气体夹带的液态水的接收器组成。在截止阀11v之后,氧气输送回路通过排列在除湿器3内部的螺旋盘管11s,这主要是用于在氧气膨胀之后再次加热氧气。此外,其用于冷凝存在于蒸汽状气体中的水,这提高了除湿器3的效率。
水位探测器31安装在除湿器3内部,排水管向下延伸至除湿器3的底部。通过燃料电池的氧气回路中的压力的作用去除水,该压力作用于接收器内的水的表面从而将水压入排水管。通过排水阀32v控制被挤压的水的量。
受控返回管13一侧与除湿器3的上部相连,另一侧与喷射器4相连。泵63安装在该返回管13内。被动返回管14一侧与除湿器3的上部相连,另一侧与喷射器4相连。因此,该被动返回管14以与受控返回管13相平行的方式相连。不包括用于主动控制流的泵或其他装置。包括单向阀14A。通过它的流在喷射器4中发生Venturi效应。
直接回路15从除湿器3的旁边经过。可以看出,该回路一侧与除湿器3上游的出口管12相连,另一侧在泵63之后且喷射器4之前的返回管13处终止。该直接回路15包括泵65。
因此,该循环回路包括出口管12、受控返回管13、被动返回管14、直接回路15以及安装在这些管及回路中的元件,特别是泵63及65,以及除湿器3。受控返回管13及被动返回管14组成干燥气体的循环回路。该直接回路15是潮湿气体的循环回路。
控制单元7能够控制该利用燃料电池1的发电系统的各个元件。用于干燥气体与循环的潮湿气体的比例的计量装置包括能够选择性地控制泵63及65的运行情况的所述控制单元7。
为此目的,该控制单元利用来自各个传感器的信息,例如燃料电池1的温度传感器71、由电池输出的电功率和/或燃料电池组中各个单独的电池或者这些电池中的至少一部分的电压的指示器72、由安装在电池1的入口处的湿度传感器74测量的湿度水平、电池入口处的氧气温度、除湿器3的壁的温度、冷却水的温度等。该控制单元7能够控制截止阀11v,或者能够根据输出的电功率调节氧气输送压力的阀门,或者控制例如偶尔对气体实施短暂洗涤的洗涤阀12v,从而不积聚导致电池效率降低的惰性气体。该控制单元7还可以在除湿器3中的水位达到由水位探测器31探测的最大值时,以预定的时间,例如约零点几秒,打开排水阀32v,从而允许排放一部分水。或者选择性地可以借助于最低水位探测器进行控制。
对于上文中提及的计量装置,在特别的具体实施方案中,它们实际上包括两个泵63及65,一个(65)安装在直接回路中,而另一个(63)安装在位于除湿器下游的循环回路中,还包括能够控制所述泵63及65的运行情况的控制单元7,其可能经验性地选择性考虑了由于喷射器4中的Venturi效应而循环的气流,从而正确地确定直接通过该直接回路15循环的潮湿气体与经过除湿器3循环的干燥气体之间的比例。控制单元7优选选择性地以湿度传感器74传输的数值的函数的方式控制泵63及65的运行情况。
特别地,在启动阶段,若燃料电池1仍是冷的,则控制单元7向同样安装在交通工具上的能量管理单元发送指令,以限制取自燃料电池1的功率,而在电池发热阶段,通过直接控制泵65而不控制泵63以使气体循环。
来自储存罐2的气体通常是冷的(因为经过相当大的膨胀,虽然在除湿器3内被加热)且干燥的。将该冷气体与循环的气体混合,能够使温度和湿度提高至足够的水平,而无需外部能量的输入。实际上,直接来自燃料电池1及在出口管12中循环的气体是热的,并且被水蒸汽饱和,或者甚至过饱和。在除湿器3中除去水。则在返回管13中循环的气体是较冷的。考虑到燃料电池1中的主要条件(冷启动,全功率等),控制单元7可以控制泵65(“潮湿”循环器)以适应热气体的循环而不产生小液滴,或者控制泵63(“干燥”循环器)以适应不太热且更干燥的气体的循环,并且可以形成这两类气体之间的任意比例。因此,可以获得输送至燃料电池1的增湿气体的最优化的混合物。
在某些运行阶段中,两台泵均可以停止,并且可以借助于由喷射器的压力产生的Venturi效应实施循环,这具有节约能源的优点。应注意的是,喷射器并非实现本发明所必需的。在更简单的应用中,喷射器可以被省略,而被简单的连接所代替,而且被动返回管14可被省略。受控返回管13以及直接回路15连同它们各自的泵63及65,能够控制干燥气体与潮湿气体的比例。
作为可燃气体回路的一种改变的实施方案,可以输送氧气与至少一种诸如30%氮气的中性气体的混合物。然而在此描述的申请使用在压力下储存的纯氧。该方案的优点在于,特别是电池更加动态地响应对电流的消耗,这对于诸如汽车的交通工具中的应用是特别有利的,人们已知这些交通工具必须在特别的间歇式运行条件下运行,这与静态应用不同。用可提及的纯氧输送燃料电池的其他优点是,效率及功率密度更优。此外,对于增湿作用而言,与压缩空气相比,使用纯氧能够更有效地运行。实际上,对于电池所用的等量的氧,若输送仅含约21%氧的空气,则电池产生的等量的水会被引入相当大体积的气体中。为了达到相同的气体湿度水平,必须蒸发掉约5倍的水。

Claims (9)

1.发电系统,其包括:
-燃料电池(1),其包括:多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的、具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性的独立的电池,该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路,而在阴极侧具有可燃气体输送回路;
-用于燃料气体或可燃气体之一的至少一个循环回路,其循环未被该燃料电池消耗的气体,所述循环回路包括能够除去未被消耗的气体中所含的水的除湿器(3),该循环回路收集位于该燃料电池下游的潮湿气体,使该潮湿气体通向该除湿器,并在经除湿的气体已由该除湿器中通过之后将该气体通入位于该燃料电池上游的所述输送回路中;
其特征在于,所述循环回路包括具有泵(63)的受控返回管(13),该受控返回管(13)安装在所述除湿器(3)的下游,所述循环回路还包括以平行于所述除湿器的方式安装的直接回路(15),所述直接回路(15)具有泵(65),所述直接回路(15)提取位于该燃料电池下游的潮湿气体,并将该潮湿气体送入所述输送回路中而不由所述除湿器(3)中通过,该系统包括用于控制所述潮湿气体与所述送回该燃料电池上游的经除湿的气体之间的比例的计量装置。
2.根据权利要求1所述的系统,其中所述循环回路包括以与所述受控返回管(13)相平行的方式安装的被动返回管(14)。
3.根据权利要求2所述的系统,其中所述循环回路通向安装在所述气体输送回路中的喷射器(4)。
4.根据前述权利要求之一所述的系统,其中所述计量装置包括能够选择性地控制所述泵(63及65)的运行情况的控制单元(7)。
5.根据权利要求4所述的系统,其中所述控制单元(7)选择性地以湿度传感器(74)传输的数值的函数的方式控制所述泵(63及65)的运行情况。
6.根据权利要求1至3之一所述的系统,其中所述可燃气体输送回路是纯氧输送回路。
7.根据权利要求1至3之一所述的系统,其中所述可燃气体输送回路是输送由纯氧及至少一种中性气体组成的混合物的回路。
8.根据权利要求1至3之一所述的系统,其中所述燃料电池是具有聚合物膜的类型。
9.根据权利要求1至3之一所述的系统,其用于汽车。
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