CN102203999A

CN102203999A - 燃料电池冷却

Info

Publication number: CN102203999A
Application number: CN2009801435309A
Authority: CN
Inventors: 彼得·戴维·胡德
Original assignee: Intelligent Energy Ltd
Current assignee: Intelligent Energy Ltd
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: CN102203999B; JP2012507130A; TWI459626B; CA2741180A1; ES2418480T3; GB2464946B; JP5694942B2; GB0819863D0; GB2464946A; KR101640806B1; US20230317981A1; ZA201103066B; EP2342776B1; US20110236781A1; TW201021277A; WO2010049683A1; BRPI0920444A2; KR20110081305A; WO2010049683A8; EP2342776A1

Abstract

本发明公开了一种操作燃料电池系统(100)的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组(110)和用于将冷却水直接注入电池组(110)的闭合环路水冷却回路，所述方法包括以下步骤：在一定时间段上测量燃料电池系统(100)的操作参数；将在燃料电池组(110)的操作期间在所述时间段上产生的水的总量中的一定量的水添加到闭合环路冷却回路；和从闭合环路冷却回路中除去所述量的水，在燃料电池组(110)的操作期间在所述时间段上产生的水的所述量作为操作参数的函数由燃料电池系统(100)自动确定。

Description

燃料电池冷却

技术领域

本发明涉及燃料电池系统的闭合环路冷却，具体地，涉及与从燃料电池组喷出的水有关的闭合环路冷却回路内的水的添加和去除。

背景技术

水是燃料电池系统的操作所必需的，例如，在此说明的系统的形式为包括基于环绕质子交换膜(PEM)的燃料电池组。从阳极流动路径传导通过PEM的质子(氢离子)与阴极流动路径中存在的氧的反应生成水。需要从燃料电池组中除去过量的水以避免溢流和随后造成性能降低。然而，至少在阴极流动路径中需要存在一定量的水以保持PEM的水合，以便获得燃料电池的最佳性能。通过慎重的注入和去除操纵该水还可以提供用于从燃料电池组去除过量热量的有用机构。

为了使性能最佳化，在这种燃料电池系统中通过典型地将水注入到电池组的阴极流动路径中可以慎重地使用水。这种注水式燃料电池系统与采用单独的冷却通道的其它类型燃料电池系统相比具有减小尺寸和复杂性的潜在优点。水可以通过水分配歧管直接注入到阴极流动路径中，如例如GB2409763中所记载。

对于注水系统，重要的是供给回到阴极流动路径中的任何水都是高纯度的，以便避免污染PEM和随后出现的电池组性能的下降。

对于用于冷却和电池水合的水直接被添加到燃料电池膜的注水燃料电池系统，在正常操作期间没有向系统添加额外的水。为了使这成为可能，从燃料电池的排出流回收液态水。燃料电池的阴极排出流主要为饱和空气和液态水的组合，而阳极的排出流主要为饱和氢气和液态水的组合。由燃料电池产生的水的大部分出现在阴极上，在阳极上产生小比例的水。如果将水注入到燃料电池的阴极上，则可回收的水的大部分因此也在阴极上。

由于排出物的水分主要为水蒸汽形式，因此阴极排出流的液态水分通常不足以满足燃料电池组的注水要求。因此，排出流的温度优选地(例如，使用热交换器)被降低，以便降低露点并使蒸汽的至少一部分凝结成液态水。还可以使用一种将液态水从排出流中分离的方法(例如，气旋式分离器)，以便确保排出流中获得的液态水的大部分被捕获。假定阳极排出流具有相对较低的流量，因为必需增加的系统复杂性超过由于例如通过使用额外的热交换器降低露点而获得额外的水的优点，通常仅回收液态水分(例如，通过进油管路油气分离罐(inline catch pot))。

引入到注水燃料电池组中的水的导电率必须保持在避免腐蚀影响的足够低的水平下。离开燃料电池组的液态水可以包含氟化物和/或腐蚀产物(例如，铁等)，所述氟化物和/或腐蚀产物由于增加来自总溶解固体的离子而增加水的导电率。另外，水的导电率因为由于部件之间的电势差发生的任何电化腐蚀而可能会增加。这可以通过仔细选择材料和整个系统设计被最小化。

注入到燃料电池组中的水的导电率的增加可能会污染电催化剂和隔膜，从而导致电阻增加和性能降低。因此，应该控制被引入到在闭合回路结构中运转的注水燃料电池组的水的导电率。

一个解决方案是在燃料电池系统中包括离子交换柱以‘精制(polish)’水。然而，这由于系统封装限制或维护频率要求可能不切实际，这是因为在所述系统上需要对其它零件(例如，过滤器)以相似的间隔进行更换而典型地需要相对较大的单元。

本发明的一个目的是解决一个或多个上述问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和用于将冷却水直接注入电池组中的闭合环路水冷却回路，所述方法包括以下步骤：

在一定时间段上测量燃料电池系统的操作参数；

在燃料电池组的操作期间在所述时间段上，从通过燃料电池组产生的水的总量中将一定量的液态水添加到闭合环路冷却回路；和

从闭合环路冷却回路中除去所述量的液态水，

其中，为燃料电池组的操作期间在所述时间段上产生的水的总量的一定比例的液态水的所述量作为操作参数的函数由燃料电池系统自动确定。

通过从燃料电池组中除去为操作期间产生的水的总量的一定比例的所述量的水，所述量作为电池组的操作参数的函数，燃料电池系统中的冷却水根据燃料电池如何操作可以保持在期望的纯度水平。

操作参数可选地为在所述时间段上从燃料电池组中获得的电流。从闭合环路冷却回路中除去的水的总量的比例可以与所述时间段上获得的电流成比例。除去和添加的水量依赖于燃料电池操作的繁重程度，即，供应多少电流，所述电流与使用的燃料量成直接关系。

操作参数可以可选地为导电率、pH或闭合环路冷却回路内的水中的总溶解固体量。从闭合环路冷却回路中除去的水的总量的所述比例可以为预定设定点与操作参数之间的差值的函数。这些参数可以用作额外的检查以确保冷却水的质量保持在期望水平内。

可以通过控制与燃料电池组的阴极排出管线流体连通的热交换器的出口温度，例如通过将从闭合环路冷却回路中除去的水引导到热交换器的外表面上来确定水量。通过选择性地引导从电池组排出到热交换器上的一定比例的水(所述水可以为蒸汽形式)，仅在需要更多的冷却剂时需要额外的冷却以将水蒸汽转换成为液态水，而当这不需要连同许多热量一起的过量水时，所述水可以作为蒸汽排出。

可以通过控制与闭合环路冷却回路流体连通的泵操作来确定从闭合环路冷却回路中除去的水量。泵可以以与要从冷却回路中除去的水量成比例的占空比间歇地操作。通过使泵仅在需要时操作可以降低燃料电池上的寄生负载。

可以根据以下关系计算要除去的水量：

W_{r} = β \frac{In}{2 F} moles s^{- 1}

其中，W_r为要从冷却回路中除去的水量，I为从具有n个电池的燃料电池组中获得的电流，F为法拉第常数且为预定常数。所述常数优选地为大约0.1。

根据本发明的第二方面，提供一种燃料电池系统，包括燃料电池组、用于将冷却水直接注入电池组中的闭合环路水冷却回路和计算机控制器，所述控制器被构造成自动地进行以下操作：

在一定时间段上测量燃料电池系统的操作参数；

将在燃料电池组的操作期间在所述时间段上产生的水的总量中的一定量的液态水添加到闭合环路冷却回路；和

从闭合环路冷却回路中除去所述量的液态水，

其中，控制器被构造成除去为燃料电池组的操作期间在所述时间段上产生的水的总量的一定比例的所述量的液态水，所述量作为操作参数的函数。

附图说明

下面将仅通过实例和关于附图说明本发明，其中图1显示根据本发明使用的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

如图1所示，燃料电池系统100包括至少一个燃料电池组110和用于除去水的各个连接部件，例如分别位于阳极排出管线140和阴极排出管线150上的热交换器120和气旋式水分离器130a、130b。这些部件能够从排出流中回收液态水。通过阳极排出管线140的流体流包括来自电池组110中的阳极体的水饱和氢气和液态水，而通过阴极排出管线150的流体流包括来自电池组110中的阴极体的水饱和空气和液态水。阴极排出流进入热交换器120中，所述热交换器被设计成用于充分地冷却阴极排出流以允许获取液态水。获取的液态水然后可以再循环到闭合环路冷却回路中。

燃料电池系统被构造成捕获一定比例的排放到燃料电池组110的阴极排出管线150中的水，并使该比例的水再循环用于燃料电池组中的隔膜的冷却和水合。所述比例作为燃料电池组的操作参数的分数受到控制，下面将进一步详细说明。

图1中显示的燃料电池系统中的闭合环路冷却回路可以由燃料电池组110、阴极排出管线150、热交换器120、水分离器130b、通向水储存容器160的阴极水返回管线151以及返回到燃料电池组110的注水管线152限定。注水管线152优选地通向电池组内的阴极体，其中可以更有效地获得直接冷却。所述闭合环路回路还可以包括阳极排出管线140、水分离器130a和阳极水返回管线141，从而也通向水储存容器160。泵180a、180b、180c可以分别包括在阴极水返回管线151、阳极水返回管线141和除水管线170中，以便帮助环绕冷却回路输送水和将水从冷却回路中输送出来。额外的泵(未示出)优选地包括在水储存容器160内，用于通过注水管线152将冷却水抽吸到燃料电池110中。

燃料电池组110中产生的所有反应水进入闭合环路冷却回路，但不是所有水都通过阴极注水进入管线152。

水储存容器160优选地包括用于确定容器160内的水位166的水位传感器165。

根据燃料电池组110的冷却和增湿要求控制闭合环路冷却回路中的水，且典型地以作为燃料电池组110的操作电流的函数的基本形式进行计算。来自冷却回路的过量水可以通过泵180c经由除水管线从系统中被除去。

将会理解的是除非上下文暗示或以其它方式说明，否则整个说明书中引用的水表示包括液态水和水蒸汽。

布置空气压缩机111以迫使空气通过阴极进气口112进入燃料电池组110的阴极体中。为氢气形式的燃料通过阳极进入管线113进入燃料电池组110的阳极体。

离开热交换器排出口125的流体流的出口温度被控制为使得回收足够的液态水，以允许水储存容器160内保持适当的水位166。典型地，水储存容器160中的水位166被选择为整个的85％设定值，而剩余15％用作缓冲器以允许由于热交换器120的热惯性造成的滞后现象。因此，根据所述选择的给定值允许一定量的液态水流动通过阴极水返回管线151进入水储存容器。系统100的控制优选地被设置成使得保持水储存容器160内的水的水位166而无需考虑通过除水管线170离开容器的水。然而，如果例如选择95％的设定值水位，则由于热交换器冷却减少而出现的热滞后现象可以使得将需要从水储存容器160中除去额外的水。如果(通过计算或经验方法)已经知道热交换器120的热特性，则也将知道由于溢出从水储存容器160中除去的水量。因此，可以控制热交换器冷却，使得从水储存容器160中除去所需量的水。

从储存容器中更精确地除去液态水的方法是使用泵180c。这种泵可以为连续变化或固定操作。如果泵180c可根据设定值连续变化，则由泵180c获得作为给定值的函数的流量，所述泵通过除水管线170将液体提供到大气中。因此，该数据可以用于通过相应地调节设定值获得所需的流量。在固定操作泵的情况下，泵的流量通过该泵将水抽吸到大气来进行校准。因此，该流量为可以获得的最大流量。如果需要低于该最大流量的流量，则可以根据适当的占空比启动和关闭泵180c。典型地，在给定的时间段，泵180c将根据所需流量与最大流量的比率运转持续该时间的一定百分比的时间。例如，如果泵180c被校准为输送100ml/min，并且需要25ml/min的流量，则泵被启动15秒，并然后关闭45秒，且每60秒重复该循环。当燃料电池系统100包括气冷式热交换器120时，泵180c除去水的使用具有额外优点以及增加的精度。在该情况下，来自除水管线170的过量水可以被喷射到热交换器120上以帮助冷却，因此允许热交换器120与以其它方式需要产生用于对冷却回路再加料的液态水相比较小。

应该从闭合环路系统添加和除去的液态水的量可以作为由于燃料电池组110中的电化学反应产生的水的总数的函数进行计算。这可以如下计算。

产水量，

其中，I是燃料电池组电流(单位：安培)，n是燃料电池组110中的电池的数量，F是法拉第常数(大约为96.5x10³库仑/摩尔)。上述关系假定一组燃料电池相互电串联布置，其中相同的电流通过每一个电池。

水的相对分子量为18.0g mole^-1，水的密度在20℃下是0.998g cm^-3，因此：

产水量，

要从冷却回路中除去的液态水的量W_r可以表示为，

W_{r} = β \frac{In}{2 F} moles s^{- 1} = β \frac{In}{2 F} \times 60 \times 18.1 ml mi n^{- 1}

或者

W_r＝βW_p

其中，β是与由燃料电池组110产生的水的总量相比要除去的液态水的比例。

β的优选值是0.1，这是因为这能够在热交换器尺寸与闭合环路内的液态水的稀释度之间提供可接受的平衡，尽管该值可以根据需要改变。通常，对于任何给定尺寸的燃料电池要除去的水量可以与燃料电池组电流成正比。

上述方法的可选方式是测量进入燃料电池组110的液态水的导电率或其它操作参数(例如，pH、总溶解固体量等)。要从系统中除去的水量，并因此要从阴极排出管线150中吸出的液态水量可以作为导电率或其它参数的设定值与测量值之间的计算误差的函数推而被导出，。标准控制回路(例如，比例项、积分、微分：PID)可以用于该目的，并且控制回路被设置成考虑到热交换器120的热惯性。

燃料电池系统优选地包括连接到燃料电池系统100的各相关部件的适当的计算机控制器。控制器被构造成自动地确定作为具体操作参数的函数的要从闭合环路冷却回路中除去的水量。例如，控制器可以被构造成监测从电池组110中得到的电流，从该测量结果确定要从闭合环路冷却回路中除去的水量，并相应地调节泵180a、180b、180c的操作。控制器可以被构造成控制水分离器130a、130b的操作以及要喷射到热交换器120上以用于额外冷却的水量(如果有的话)。

控制器可以被构造成监测诸如水导电率、pH或固体溶解量的操作参数，并因此调节从冷却回路中除去的液态水的量。例如，如果冷却回路内的液态水的导电率增加，则控制器可以被构造成增加从冷却回路中除去和添加到冷却回路的液态水的量，以便用燃料电池组110中产生的新鲜水烯释冷却水，从而降低冷却回路中的水的导电率。

其它实施例也意味着在所附权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims

1.一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和用于直接将冷却水注入到所述电池组中的闭合环路水冷却回路，所述方法包括以下步骤：

在一定时间段上测量所述燃料电池系统的操作参数；

在所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上，从由所述燃料电池组生成的水的总量将一定量的液态水添加到所述闭合环路冷却回路；和

从所述闭合环路冷却回路除去所述一定量的液态水，

其中，作为所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上生成的水的总量的一定比例的所述一定量的液态水通过所述燃料电池系统被自动确定为所述操作参数的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为在所述时间段上从所述燃料电池组中获得的电流。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，从所述闭合环路冷却回路除去的水的总量的所述比例与在所述时间段上获得的电流成比例。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的导电率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的pH值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水中的总溶解固体量。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其中，从所述闭合环路冷却回路除去的水的总量的所述比例为预定设定值与所述操作参数之间的差值的函数。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，水量通过控制与所述燃料电池组的阴极排出管线流体连通的热交换器的出口温度来确定。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述热交换器的出口温度通过将从所述闭合环路冷却回路除去的水引导到所述热交换器的外表面上来控制。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述闭合环路冷却回路除去的水量通过控制与所述闭合环路冷却回路流体连通的泵的操作来确定。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述泵以与将从所述冷却回路中除去的水量成比例的占空比间歇地操作。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下关系计算水量：

W_{r} = β \frac{In}{2 F} moles s^{- 1}

其中，W_r为将从所述冷却回路除去的水量，I为从具有n个电池的所述燃料电池组中获得的电流，F为法拉第常数，β为预定常数。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，β大约为0.1。

14.一种燃料电池系统，包括燃料电池组、用于将冷却水直接注入到所述燃料电池组中的闭合环路水冷却回路以及计算机控制器，所述计算机控制器被构造成自动地进行以下操作：

在一定时间段上测量所述燃料电池系统的操作参数；

将在所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上生成的水的总量中的一定量的液态水添加到所述闭合环路冷却回路；和

从所述闭合环路冷却回路除去所述一定量的液态水，

其中，所述控制器被构造成除去作为所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上生成的水的总量的一定比例的所述一定量的液态水，所述一定量的液态水为所述操作参数的函数。

15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为在所述时间段上从所述燃料电池组中获得的电流。

16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中，生成的水的总量的所述比例与在所述时间段上获得的电流成比例。

17.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的导电率。

18.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的pH值。

19.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水中的总溶解固体量。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的燃料电池系统，其中，喷出的水的总量的比例为预定设定值与所述操作参数之间的差值的函数。

21.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成自动控制与所述燃料电池组的阴极排出管线流体连通的热交换器的出口温度。

22.根据权利要求21所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成将来自所述闭合环路冷却回路的水喷射到所述热交换器上。

23.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成通过控制与所述闭合环路冷却回路流体连通的泵的操作来控制从所述闭合环路冷却回路除去的水量。

24.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成使所述泵以与将从所述冷却回路中除去的水量成比例的占空比间歇地操作。

25.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成根据以下关系自动计算水量：

W_{r} = β \frac{In}{2 F} moles s^{- 1}

26.根据权利要求25所述的燃料电池系统，其中，β大约为0.1。

27.一种参照附图操作基本上如在此所述的燃料电池系统的方法。

28.一种参照附图基本上如在此所述的燃料电池系统。