CN101999189B - 用于蒸发冷却式燃料电池的热天气操作的储蓄器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统包括具有阴极和阳极的燃料电池。水流场与阴极流体连通，以产生潮湿空气。用于蒸发冷却式燃料电池的冷却系统包括布置成接收潮湿空气且产生冷凝水的冷凝器。分离器可布置成接收冷凝水。返回管路以流体的方式连接冷凝器和水流场。储蓄器具有附加的水，储蓄器与返回管路流体连通，以用于在失衡的热的燃料电池条件中将附加的水选择性地提供给水流场。储蓄器以在如果储蓄器冻结时不阻塞水流的方式连接在冷却系统中以及连接到该冷却系统上。

Description

用于蒸发冷却式燃料电池的热天气操作的储蓄器
背景
本公开涉及针对水失衡的热的燃料电池条件使用水储蓄器的燃料电池。
一种类型的燃料电池使用必须被充分提供水(hydrate)以用于期望的燃料电池操作的多孔水输送板。燃料电池还必须充分地冷却，以用于期望的操作。燃料电池的蒸发式冷却依赖于燃料电池中的水，燃料电池中的水是内部产生的以及从外部作为冷却剂引入的，水蒸发到与燃料电池阴极相关联的空气流中。然后如通过利用冷凝器的冷凝那样，通常从潮湿空气流中回收该蒸发水，以使其返回到燃料电池以便于重新使用。
在燃料电池的热天气操作期间，由于周围空气和燃料电池排气之间的低得多的温差的原因，冷凝器在使水蒸气冷凝时变得不太高效。因此，当燃料电池内的可用来给多孔水输送板提供水以及冷却燃料电池的水降低到低于期望量时，可发生气吞(gas ingestion)和热耗散。在一个实例中，在全功率时，85kW蒸发冷却式燃料电池要求32g/s水返回燃料电池。如果冷凝器在热天气日子里只能冷凝这个量的80％，则在约二分半钟之后，燃料电池就会低于期望水量1升。
提供对于热天气条件具有足够的水的燃料电池引起了问题，因为燃料电池冷却系统对于冷天气条件必须是耐冻的。这需要使燃料电池冷却系统内的冻结水解冻。使如此大容量的水解冻需要不期望的大量功率。需要的是一种具有对于热天气条件而言可用的足够的水而不增加必须在燃料电池冷却系统中解冻的水容量的蒸发冷却式燃料电池。
发明概述
一种燃料电池系统包括具有阴极和阳极以及在它们之间的电解质(例如聚合物膜)的燃料电池。燃料电池中的水流场与阳极和/或阴极连通，以使用循环水和从电化学反应中产生的水且使水蒸发到阴极反应物通道中以产生潮湿空气来使燃料电池湿润和冷却。在该潮湿空气中的水由冷凝冷却系统回收，并且返回到燃料电池。冷凝冷却系统包括布置成接收潮湿空气排气且产生冷凝水的冷凝器。分离器布置成从排气中分离出冷凝水，以及从空气中分离出液体水。返回管路通常通过分离器将冷凝水以流体的方式连接到燃料电池水流场上。储蓄器具有附加的水，储蓄器至少部分时间与返回管路流体连通，以用于选择性地在失衡的热的燃料电池条件中将附加的水提供给水流场。储蓄器与冷却剂系统中的冷凝器处于并联流体关系，从而使得储蓄器中的水不需要在系统冻结时解冻。
用于燃料电池的冷却剂水由冷却回路提供，该冷却回路接收来自阴极空气流场的潮湿空气，以产生液体水。液体水返回到与阴极和/或阳极相关联的水流场。附加的水在预定的操作条件下选择性地供应到水流场。在冷天气条件期间，冷凝器、分离器和/或返回管路中的水可冻结，除非受到适当的防冻措施(例如加热器)的保护。另一方面，在冷天气条件期间通常不需要储蓄器中的附加的水，而且可允许附加的水冻结。附加的水在正常操作条件期间解冻，然后就可在如果需要时使用。在热天气条件(在其中燃料电池可在失衡的情况下操作)期间，将来自储蓄器的附加的水供应到燃料电池，从而确保燃料电池具有足够水来进行操作。来自储蓄器的附加的水可与返回管路选择性地连接或断开(以直接或间接的方式连接或断开)，以控制来自该源的水供应。
根据以下说明书和附图，可最佳地理解本公开的这些和其它特征，以下是简要描述。
附图简述
图1是具有储蓄器的燃料电池冷凝冷却系统的示意图。
图2是具有储蓄器的另一个燃料电池冷凝冷却系统的示意图。
优选实施例的详细描述
在图1中示意性地显示了带有冷凝冷却回路24的燃料电池系统12。系统12包括燃料电池10，该燃料电池10具有阴极14，该阴极14例如使用压缩机接收来自空气源18的空气。质子交换膜例如布置成阴极14和阳极16之间的膜电极组件15，以在堆(stack)19内形成产生电的电池，如现有技术中已知的那样。为了清楚起见，显示了仅一个电池。阳极16接收来自燃料源20的氢气。
燃料电池10包括冷却剂水和作为燃料电池内的电化学反应的一部分而产生的产物水。多孔水输送板21(显示了仅一个)布置在堆19内，以便以期望的方式管理水和使水运动，如已知的那样。水输送板21包括水流场22，并且使阴极14与下一个相邻的燃料电池(未显示)的阳极16分开，同时使反应物流湿润。
燃料电池系统12将冷凝冷却回路24用作燃料电池的水管理系统的一部分。一些水借助于最初蒸发且通过水输送板21进入阳极反应物流中而离开燃料电池10，从而使膜湿润。然后，由电化学反应产生的水以及由于质子拖曳而输送通过膜的任何水蒸发到由阴极的空气流场提供的空气流中，从而起除热功能的作用。潮湿空气通过空气出口26离开燃料电池10，并且循环到冷凝器28，该冷凝器28在风扇30的协助下使潮湿空气冷凝，如现有技术中已知的那样。备选地，液体热交换器可用作冷凝器。冷却剂水和空气的两相混合物离开冷凝器28，并且循环到分离器32，在该分离器32中，气体从液体水和冷凝水收集中分离出来。由蒸发式冷却回路24吸入的任何气体通过排气口34排出。冷凝水从分离器32流到冷却剂入口35而进入燃料电池10中。
在图1中所示的实例中，水流场22使用真空泵44来保持跨越水流场22的差压，差压确保了蒸发式冷却回路24内的水通过冷却剂入口35返回到水流场22。这个泵还保持冷却剂水的压力低于燃料和空气压力，这防止水积聚在电池中。分离器32包括如果分离器变得太满则排出水的溢流口36。
分离器32通过返回管路38以流体的方式连接到水流场22上。在平衡的正常操作条件期间，分离器32将水提供给水流场22。在冷天气条件期间，返回管路38可冻结，这将防止水返回到水流场22。但是，在冷天气条件期间，通常需要较少的水来保持燃料电池的平衡操作，所以冻结的返回管路38不可能促使燃料电池10在失衡的情况下操作。另外，或者备选地，返回管路中的水容量相对较小，并且由此容易解冻，或者容易通过一个或多个小加热器39来保持液态。
储蓄器40包含水，并且直接或间接地与返回管路38连通。储蓄器40在失衡条件(其可在热天气期间发生)的情况下将附加的水提供给水流场22，而且重要的是，储蓄器40以防止在储蓄器冻结的情况下干涉该返回管路中的液体流的方式直接或间接地连接到返回管路38上。这可通过在分离器32的下游连接(如图1和2中以实线所示)或在上游连接(如图1中以虚线所描绘的)而实现。储蓄器40包括排气口42。不是增加堆19内的水容量，而是在可在冻结条件期间与水流场22在流体方面分开的单独的储蓄器40中提供附加的水。虽然通常对分离器32和返回管路38进行排水来避免冻结的问题，然而它们集合的液体容量足够地小，以至于在它们中冻结的任何水能够容易地通过加热器39解冻。另一方面，因为储蓄器40的容量相对较大并且可冻结，所以重要的是，储蓄器40不串联地布置在从冷凝器28通过返回管路38且到达堆19中的水流场22的流径中。
虽然显示了储蓄器40在物理上远离堆19，但是储蓄器40也可位于堆19的共用的壳体内。但重要的是，储蓄器40在冷却剂回路24中不以串联方式包括为对水流场22的供应的一部分，从而在冷天气条件期间，当冻结时，储蓄器40不需要解冻来实现燃料电池的平衡操作。但是，设想在热天气条件期间，由储蓄器40提供的附加的水将在冷却剂回路24中由水流场22使用，以保持燃料电池平衡。这通过借助于控制阀60选择性地将储蓄器40连接到冷却剂回路24上来实现。值得注意的是，储蓄器以并联方式连接到冷却剂回路24上，如与冷凝器28和/或分离器32以流体方式并联连接的那样。储蓄器40的实线表示描绘了储蓄器40在分离器32的下游连接到返回管路38上，而虚线表示则描绘了连接通过分离器32但总体上与冷凝器28和回路24并联。
图2中所示的另一个布置可用来使水通过返回管路38从冷却回路24循环回到水流场22。显示了压力控制阀48与分别与分离器32和储蓄器40相关联的排气口34和46连通，以用于调节冷却剂系统中的水压。在此实例中显示了储蓄器40具有溢流口50。止回阀52布置成与水流场22连通。由阴极14的空气流场产生的高于大气压力的压力跨越水流场22产生差压，以使水从蒸发式冷却回路24返回到水流场22。
虽然已经公开了优选实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，某些修改将处于本公开的范围内。为此，应该研究权利要求书来确定本公开的真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，该燃料电池具有阴极和阳极，以及与所述阴极流体连通从而产生潮湿空气的水流场；和
冷却系统，该冷却系统包括：布置成接收所述潮湿空气且产生冷凝水的冷凝器；以流体的方式连接所述冷凝器和所述水流场的返回管路；以及储蓄器，该储蓄器至少部分时间与所述返回管路流体连通，以用于选择性地在失衡的热的燃料电池条件中将附加的水提供给所述水流场，所述储蓄器与所述冷却系统中的冷凝器处于并联流体关系。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统还包括布置成接收所述冷凝水的分离器，并且所述返回管路以流体的方式连接所述分离器和所述水流场。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述储蓄器布置在所述分离器的下游。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述储蓄器布置在所述分离器的上游。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，风扇与所述冷凝器相关联，以跨越所述冷凝器产生期望的温差。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，多孔水输送板布置在所述阴极和所述水流场之间，所述水输送板给所述阴极提供水，以在所述阴极的空气流场内提供潮湿空气。
7.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述分离器和储蓄器包括排气口，并且泵在所述水流场上抽真空，以跨越所述水流场产生差压，以用于使所述冷凝水通过所述返回管路返回到所述水流场。
8.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述分离器和储蓄器包括止回阀，而且空气源对所述阴极提供空气，所述空气源跨越所述水流场产生差压，以使冷凝水通过所述返回管路返回到所述水流场。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述储蓄器在失衡的热的燃料电池条件期间与所述返回管路流体连接。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述储蓄器在冷天气条件期间冻结，从而防止所述储蓄器内的冻结水到达所述水流场。
11.一种以蒸发的方式冷却燃料电池的方法，包括步骤：
提供接收来自阴极的潮湿空气以产生液体水的冷却回路；
使所述液体水返回到与所述阴极相关联的水流场；
在预定的操作条件下将附加的水选择性地供应到所述水流场；以及
其中，所述附加的水在冻结条件期间冻结，并且包括步骤：在没有处于冻结状态的所述附加的水的情况下以平衡的方式操作所述燃料电池。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述预定的操作条件对应于失衡的热的燃料电池条件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述失衡的热的燃料电池条件对应于所述燃料电池内的液体水的供应不足。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：对所述水流场施加真空，以使所述液体水返回到所述水流场。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：对所述水流场施加高于大气压力的压力，以使所述液体水返回到所述水流场。
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