CN101366140A - 具有排气系统的pem燃料电池动力设备 - Google Patents

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Abstract

一种PEM燃料电池(4)动力设备，包括静态排气口(24)，从阴极排出流分离的空气可通过所述排气口从动力设备排出。排气口在冻结环境条件期间令人满意地运转，因此其特别适合用于机动应用，例如用于PEM燃料电池提供动力的汽车、公共汽车等。排气口由液体防冻剂层(40)形成，所述液体防冻剂层设置在与周围环境连通的喷射罐体(36)中。排出流中的所有水蒸汽可从防冻剂中的气体流冷凝出来。为了促进这一结果，防冻剂可以是与水不混溶的液体，使得冷凝的水将在喷射罐体中形成独立的层(38)。

Description

具有排气系统的PEM燃料电池动力设备
技术领域
本发明涉及一种聚合物电解质膜(PEM)燃料电池动力设备，其被非循环水(NWM)冷却剂蒸发地冷却，即一种NWM PEM燃料电池系统。更具体地，本发明涉及一种能够在冻结温度下运转的PEM燃料电池动力设备。所述系统具有用于将空气与水分离的空气-水分离器，所述空气和水包含在阴极排出流中。来自分离器的空气然后从所述系统通过防冻剂柱体排出，而且水返回到系统的冷却剂区段。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池组件是较低温度较低工作压力的燃料电池组件，其利用催化的聚合物膜电解质来处理空气和富氢燃料以产生电和水。PEM燃料电池很好地适用于机动应用，例如汽车、公共汽车等，因为其相对紧凑、重量轻并且基本上在环境压力下工作。这种类型的燃料电池系统可被非循环水冷却剂蒸发地冷却。冷却器具有外板，所述外板与包含水冷却剂的通道一起形成。冷却器也具有内部多孔板，其面对燃料电池的阴极侧，空气反应物流流过所述阴极侧。电池被水冷却，所述水通过多孔板流向空气流并且在多孔板中蒸发以冷却电池。在运转期间，小量的空气也通过多孔板扩散到水冷却剂中。阴极反应物排出流将包括水蒸汽和空气的混合物。阴极排出混合物的水蒸汽和空气组分经过冷凝器，在所述冷凝器，水被冷凝出混合物。产生的水/空气混合物然后经过分离器工作站，在这里，从混合物去除冷凝的水，并且从燃料电池组件排出空气。然后使水返回到燃料电池组件中的冷却剂流场。系统的分离器排气部分一般包括通向周围环境的通路，所述通路允许受控的空气通过机械阀和/或固定喷嘴从分离器流出。这些放气通路中的阀和/或固定喷嘴用来在正常运转期间控制液体/空气分离器中的背压。从分离器排出的空气流在离开冷凝器后是潮湿的。这个情况在冻结条件下引起操作问题，因为放气管路中的阀和/或喷嘴可能冻结，使得空气流可能不再受系统正确地控制，因此迫使系统和动力设备的关闭。通过加热放气管路可以解决这个问题，但是这个方案在系统中需要附加的加热设备，其增加了系统复杂性和成本。
非常理想的应该是具有用于从分离器排出空气的背压和流动控制系统，所述控制系统可用于冻结条件并且在燃料电池动力设备的运转期间不需要任何复杂的机械装置。
发明内容
本发明涉及一种用于从NWM PEM燃料电池动力设备中的空气/水分离器部件排出空气的改进系统，以及一种使用所述系统的方法，所述动力设备主要设计用于机动应用，例如给汽车、公共汽车等提供动力。本发明的改进的排气系统可用于冻结条件，并且不包括为正确操作而使用机械阀和/或机械喷嘴。燃料电池动力设备是PEM电池动力设备，其一般在相对较低的温度和高于环境压力的压力下运转。
燃料电池动力设备包括常规的催化聚合物膜电极，所述电极具有接收富氢燃料流的阳极侧和接收空气反应物流的阴极侧。冷却流场设置为与燃料电池的活性部分成热交换关系以在燃料电池的工作期间冷却燃料电池。在系统中使用的冷却剂通常是水。冷却流场中的冷却剂不作为经过燃料电池组件的液体进行循环。通过冷却剂蒸发到反应物流场中来完成冷却。在本发明的燃料电池系统中，空气和氢气反应物流比冷却水处在更高的压力下，由此，这些气体可通过电池中的多孔冷却板吸入到冷却水中。在该情况发生时，这些气体将溶解在冷却水中。存在于冷却水中的任何空气和氢气可通过多孔塞从冷却剂流场排出，所述多孔塞使气体通过但不会使液体通过。多孔塞的下游侧比冷却剂流场处在更低的压力下，以通过多孔塞从冷却剂流场抽出气体，于是气体可被排出到大气。在系统以低背压运转的时候需要真空。
在动力设备的运转期间，水蒸汽将从反应以及冷却操作中蒸发的水蒸发到空气流中，并且将包含在阴极侧的排出流中，所述排出流从动力设备电池组中的电池的阴极侧排出。空气-水蒸汽循环通过冷凝器，然后产生的空气/水混合物循环通过分离器，在所述分离器，从水组分分离空气组分，潮湿的空气组分从系统排出到周围环境中。水从分离器返回到冷却剂流场。
潮湿的空气流通过疏水多孔体从燃料电池系统排出到周围环境，进入并经过设置在分离器附近的静态的防冻剂柱体。排出流中的空气通过防冻剂起泡进入到周围环境中。排出流中的所有的水也经过防冻剂。如果有这样的需要，防冻剂可以是与水不混溶的防冻剂，由此，水成分将上升通过防冻剂并且与防冻剂分离，而且不会稀释防冻剂。然后通过微型多孔膜可以从防冻剂层去除水层。防冻剂层将维持燃料电池系统中的所需背压。
基于多种原因对系统中的空气流加压。首先，期望在更高压力下的运转通过升高离开电池组的空气/蒸汽混合物的温度来部分地改善从系统的排热。其次，燃料和空气压力必须高于冷却水压力，以防止水涌出动力设备中的一体化电极组件中的多孔体。
应当理解，系统的防冻剂空气排出部件将在冻结温度和低于冰点的温度下正确地产生作用，并且是静态的，因为其不需要为正确操作而与冷冻水接触的任何活动部分。
附图说明
在结合附图时，根据以下对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的各种目的和优点对于本领域技术人员来说将变得更加显而易见，在附图中：
图1是用于本发明的动力设备的PEM燃料电池的组件的示意图；
图2是图1的组件的静态排气部分的示意图。
具体实施方式
现在参照附图，图1是根据本发明形成的燃料电池动力设备的PEM电池子组件部分的示意图，总体上用附图标记2表示。燃料电池4包括催化聚合物电解质膜6，其插在燃料反应物流场8(阳极侧)和氧化剂反应物流场10(阴极侧)之间。冷却剂流场12设置在燃料电池4的阴极侧10的附近，然而，可更靠近电池4的阳极侧8安置冷却剂流场12。冷却剂流场12包含非循环的水冷却剂，其用来冷却PEM电池子组件2，以维持燃料电池4的适当的工作温度。在反应期间，燃料中的氢和空气中的氧转变为电子和产物水。该产物水中的一些以水蒸汽的形式从冷却剂流场蒸发到电池4的氧化剂流场10中，并且与剩余空气一起作为阴极排出流通过通向冷凝器16的管路14移除。冷凝器16从空气/水蒸汽流冷凝出水，然后生成的水-空气混合物通过管路18送到水-空气分离器20，在这里，混合物的水部分与混合物的空气部分分离。空气部分从分离器20通过排出管路22去除，并且从管路22、且通过总体上由附图标记24表示的静态排出结构从组件2排出到周围环境中。下面阐述排出结构24的特性。冷却剂流场12通过任选的真空泵32或通过使燃料和空气增压而保持在稍低的负压下，大约在空气和燃料压力以下7kPa，所述真空泵32通过管路30和疏水多孔塞28连接到流场12。真空泵32将通过多孔塞28从冷却剂流场12抽出可能存在于冷却剂流场12中的任何气体，例如空气和/或氢气。多孔塞28的孔和高度的大小适合允许气体通过多孔塞28但阻止冷却剂液体从中通过。从冷却剂流场12虹吸出来的气体由泵32排出到周围环境。
现在参照图2，在这里示出了排气结构24的细节。结构24包括喷射容器36，喷射容器36包含防冻剂40的柱体。容器36具有多孔底壁37，底壁37由疏水多孔材料形成，其允许空气从中通过，但阻挡液体从中通过。因此，在容器中所要从系统排出的空气和所有水蒸汽通过底壁37扩散到防冻剂层40中。防冻剂层40可以是与水不混溶的材料，或者能够与水混溶。优选与水不混溶的材料，以便保留防冻剂在冻结环境条件下仍然是液体的能力。当使用与水混溶的材料时，防冻剂层必须用新的防冻剂周期地更换。不混溶的防冻剂可包括3M氢氟醚7400、聚二甲基硅氧烷、聚苯基甲基硅氧烷等。可混溶的防冻剂可包括乙二醇、聚乙二醇、丙二醇等。如上所述，进入容器36的空气流会被润湿，使得水可从防冻剂40中的空气流浓缩出来。气流中的空气将向上起泡通过防冻剂层40，并如箭头34所示离开系统。当防冻剂层40与水不混溶时，从防冻剂浓缩出来的所有的水将层叠在容器36的一个区域38中，其优选位于容器36的顶部且在防冻剂层40的顶部。系统也包括辅助罐体44，其包含附加的防冻剂。位于区域40中的防冻剂可通过管路42被周期地从区域40移除，所述管路42由排放阀43控制。系统中的背压随着防冻剂柱体40中的当前密度、流率和高度变化而改变，空气必须起泡通过所述防冻剂柱体。因此，当防冻剂层40水平面需要升高以控制背压时，将防冻剂从罐体44通过管路46和泵48抽回到罐体36中可以增加防冻剂层40的高度。因此，响应于工作条件可以有选择地改变防冻剂层40的高度。
可容易理解，本发明的排气组件可在冻结环境条件期间运转，并且在动力设备的运转期间不会冻结。这使得排气组件特别适用于PEM燃料电池动力设备，所述动力设备设计用于必须经常在冻结条件下运转的机动装置，例如汽车等。本发明的排气组件也是非常简单的组件，其在于：不需要任何暴露于从动力设备排出的空气流的活动的机械装置，例如阀或喷嘴。排气组件将空气反应物排出循环回路中产生的潮湿空气流排出到周围环境。潮湿空气流排放通过静态排出结构，所述静态排出结构包括防冻剂的柱体，并且不包括易于冻结的机械阀或喷嘴。本发明的系统也可响应于系统工作条件的改变而改变防冻剂的柱体的高度。
因为在不脱离本发明构思的情况下可以做出对本发明的公开实施例的很多改变和变型，因此除了所附权利要求所主张的之外，并不是要限制本发明。

Claims (14)

1.在具有燃料电池(4)的PEM燃料电池动力设备中，所述燃料电池在动力设备运转期间产生润湿的气体反应物排出流，反应物排出流处理系统，包括：
a)管道(30)，被构造为使所述润湿的气体反应物排出流从所述燃料电池流走；
b)冷凝器(16)，用于使水从所述润湿的气体反应物排出流中冷凝出来，以便产生包含气体和冷凝水的冷凝器排出流；
c)分离器(20)，被构造用于将所述冷凝器排出流中的水与气体分离；和
d)排出口(24)，被构造用于从所述分离器装置排出所述气体，所述排出口包括防冻剂层(40)，所述分离器中的气体能够通过所述防冻剂层到周围环境。
2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述防冻剂层具有可变的高度，所述可变的高度可操作用于可变地控制反应物背压。
3.根据权利要求1所述的处理系统，还包括水传送装置(26)，所述水传送装置被构造为将水从所述分离器传送到所述燃料电池中的水冷却剂流场(12)。
4.根据权利要求1所述的处理系统，还包括：防冻剂储备源(44)；以及第一传送装置(46、48)，被构造用于选择性地将防冻剂从所述防冻剂储备源传送到所述排出口中的所述防冻剂层。
5.根据权利要求4所述的处理系统，还包括第二传送装置(42、43)，被构造用于选择性地将防冻剂从所述排出口中的所述防冻剂层传送到所述防冻剂储备源。
6.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述反应物排出流中的水的至少一部分是燃料电池利用在所述燃料电池的阴极侧上从水冷却剂流场蒸发到反应物流中的水的蒸发冷却的产物。
7.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述防冻剂和冷凝水是不混溶的，使得水与所述排出口中的所述防冻剂分离。
8.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述排出口包括支撑所述防冻剂层的疏水多孔材料层，所述材料层允许气体从所述材料层通过，但阻止液体从所述材料层通过，由此来自所述分离器的气体穿过所述材料层进入到所述防冻剂层中。
9.一种用于从PEM燃料电池动力设备电池组中产生的润湿的反应物排出流去除空气的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使水从所述润湿的反应物排出流中冷凝出来，以便产生空气-水混合物；
b)将所述空气-水混合物中的水成分与空气成分分离；以及
c)通过使所述空气成分经由防冻剂层排出到周围环境中，将所述分离的空气成分从所述分离的水成分去除。
10.根据权利要求9所述的方法，包括进一步的步骤：将所述分离的水成分传送到燃料电池组的水冷却剂源。
11.根据权利要求9所述的方法，包括进一步的步骤：响应于动力设备工作条件选择性地从所述防冻剂层去除和/或为所述防冻剂层添加防冻剂，以便改变所述防冻剂层的尺寸。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述防冻剂是与水不混溶的；并且包括进一步的步骤：冷凝所述防冻剂层中的所述分离的空气成分中剩余的所有水蒸汽。
13.根据权利要求9所述的方法，包括进一步的步骤：通过支撑所述防冻剂层的疏水多孔板使所述分离的空气成分进入到所述防冻剂层中。
14.根据权利要求9所述的方法，包括进一步的步骤：改变所述防冻剂层的高度以便选择性地改变反应物背压。
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