CN1265491C - 用于除去燃料电池系统中的残余物的装置和方法 - Google Patents

用于除去燃料电池系统中的残余物的装置和方法 Download PDF

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Abstract

当燃料电池系统的驱动被结束时，在燃料电池系统中的残余物，例如水、可燃气体、和氧化剂，通过被存储在一个吸附箱中吸附剂被除去，吸附箱与所述燃料电池系统的多个流场相连。

Description

用于除去燃料电池系统中 的残余物的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，更特别地，涉及一种用于除去燃料电池系统中的残余物，例如氧化剂、可燃气体、和水的装置和方法。
背景技术
通常，燃料电池系统具有一个燃料电池组，一个氧化剂流场，一个可燃气体流场，和一个冷却剂流场，该系统利用在可燃气体和氧化剂之间的电化学反应产生电能，并具有一个薄膜电极部件(MEA)。
薄膜电极部件有一个被夹在阳极和阴极之间的薄膜电解液(electrolyte)，所述阳极被供给被增湿的可燃气体，所述阴极被供给被增湿的氧化剂。薄膜电极部件又被夹在一对隔离板之间，在那里形成被定义为多个沟或槽的若干流场，用于可燃气体和氧化剂的流动。
此外，燃料电池系统具有一个冷却剂流场用于冷却燃料电池组。
氧化剂流场，可燃气体流场，和冷却剂流场中的每一个都设有一个泵，一个鼓风机，和多个阀等等。
当如上述的燃料电池被用在燃料电池汽车中时，取决于汽车被驱动还是不被驱动，燃料电池被反复地开启和关掉。当燃料电池被驱动时，燃料电池的电化学反应产生的水被排出，但当燃料电池停止工作时，未能被排出的水残留在燃料电池组中。此外，当燃料电池在驱动后停止工作时，在流场中的被增湿的可燃气体和被增湿的氧化剂也残留在所述多个槽或沟中。当大气温度降到一个低温时，残余物中的水能被结成冰，弄坏燃料电池的薄膜电极部件并且阻塞流场，和设在各个流场中的零件。
从而，为了保证燃料电池的安全，在燃料电池被关掉后需要除去燃料电池系统中的残余物。
传统上，为了解决上述问题，在燃料电池中的残余物通过氮清洗被除去。然而，当氮清洗被使用时，需要一些附加装置，例如用于氮的贮存罐和用于调节氮压力的控制器，并且贮存罐必须被反复地再装填。此外，为了完全除去残余物中的水，需要大量的时间和很高的氮消耗。
发明内容
因此，本发明的一个目标是解决上述问题并且提供一种用于除去燃料电池中的残余物，例如氧化剂、可燃气体、和水的装置及其方法。
一个典型的用于除去一个具有多个用于可燃气体和用于氧化剂的流场的燃料电池系统中的残余物的装置包括一个吸附箱，其中存储吸附剂用于吸附从所述燃料电池系统发送出的残余物；一个与所述吸附箱相连的真空泵，用于分离被吸附到所述吸附剂中的残余物；一个压力计用于测定所述吸附箱的压力；装在通向所述多个流场的多个输入通道上的多个第一截止阀；装在从所述多个流场来的多个输出通道上的多个第二截止阀；装在通向所述吸附箱的多个输入通道上的多个第三截止阀，所述输入通道在所述多个流场和所述第二截止阀之间从所述输出通道分叉；和一个第四截止阀，该第四截止阀装在一个从所述吸附箱到所述真空泵的输出通道上。
一个典型的用于除去一个具有多个用于可燃气体和用于氧化剂的流场的燃料电池系统中的残余物的方法包括当燃料电池组的驱动(driving)停止时，隔离所述多个流场的多个输入通道和多个输出通道；使所述多个流场和一个吸附箱相通，该吸附箱存储吸附剂用于吸附所述燃料电池系统中的残余物；和通过驱动一个与所述吸附箱相连的真空泵来分离被吸附到所述吸附剂中的残余物。
附图说明
附图，它被合并入说明书并构成说明书的一部分，阐明了本发明的实施方式，并且，与说明书一起，用来解释本发明的原理。
图1是一个根据本发明的第一实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图；
图2是一个根据本发明的第二实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图；
图3是一个根据本发明的第三实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图；和
图4是一个根据本发明的第四实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施方式将在下文中结合附图详细说明。
图1是一个根据本发明的第一实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图。
如图1中所示，一个燃料电池系统200有多个流场在其中。所述多个流场包括一个用于氧化剂的流场210，一个用于可燃气体的流场220，和一个用于冷却剂的流场230。流场210，220，230各自与输入通道和输出通道相连。
多个第一截止阀100被装在通向燃料电池系统200的多个输入通道上，多个第二截止阀300被装在从燃料电池系统200来的多个输出通道上。
通向一个吸附箱500的多个输入通道从在流场210，220，230和第二截止阀300之间的输出通道上分叉，穿过多个第三截止阀400，所述第三截止阀400被装在通向吸附箱500的多个输入通道上。
一个从吸附箱500来的输出通道经过一个第四截止阀600与一个真空泵700相连，第四截止阀600装在从吸附箱500来的输出通道上。
吸附箱500容纳能吸附可燃气体，氧化剂，和水的吸附剂，优选地，用沸石或硅胶作为吸附剂。
在吸附箱500中，多个吸附剂层遍及吸附箱500被形成以便能根据残余物的成分选择一种特定的吸附剂。
此外，为了测定吸附箱500的压力，一个压力计800被装在吸附箱500上。
真空泵700与吸附箱500相连以便被吸附箱500中的吸附剂吸附的例如可燃气体、氧化剂、和水等残余物通过真空泵700的作用被排除。
优选地，一个冷却剂排出泵被装在从用于冷却剂的流场230来的输出通道上以便排出在燃料电池系统200的驱动后残留的冷却剂。
在下文，说明用于除去在燃料电池系统中的残余物的装置的工作过程。
在燃料电池工作过程中，所述第一截止阀100(100a，100b，100c)和第二截止阀300(300a，300b，300c)被打开，第三截止阀400(400a，400b，400c)被关闭。
当燃料电池系统200的工作停止时，在燃料电池系统200中的电化学反应停止。
从而，在形成于燃料电池系统200中的流场210，220中，在燃料电池系统的工作过程中供应的可燃气体和氧化剂，以及被电化学反应产生的水，作为残余物残留下来。特定地，在燃料电池系统200中，氧化剂和水残留在用于氧化剂的流场210中，可燃气体和水残留在用于可燃气体的流场220中，并且冷却剂残留在用于冷却剂的流场230中。
如果在用于冷却剂的流场230中的冷却剂是水，当大气温度降到一个低温时，它能连同电化学反应过程中产生的水一起结成冰。从而，与从用于冷却剂的流场230来的输出通道相连的冷却剂排出泵被运行以便冷却剂被排出到燃料电池系统200的外部。但即使冷却剂排出泵被驱动，少量的冷却剂仍残留在用于冷却剂的流场230中以致需要通过下述的吸附过程来完全除去残留的冷却剂。
另一方面，如果使用防冻液作为冷却剂，就不需要除去冷却剂，因此与用于冷却剂的流场230，截止阀100c，300c，400c和冷却剂排出泵相连的多个通道被省略。
当冷却剂排出被完成时，第一截止阀100(100a，100b，100c)和第二截止阀300(300a，300b，300c)被关闭，从而，流场210，220，230被隔离，随后第三截止阀400(400a，400b，400c)被打开以便燃料电池系统200的流场210，220，230与吸附箱500连通。
从而，残留在燃料电池系统200的流场210，220，230中的残余物的数量通过吸附箱500中的吸附剂的吸附被减少。
从而，残留在流场210，220，230中的可燃气体、氧化剂、和水移动到吸附箱500中直到吸附箱500中的吸附剂饱和，以便在流场210，220，230中的残余物的数量能基于吸附箱500中的吸附剂的数量被控制。
如果在残余物被吸附入吸附剂后燃料电池系统200的驱动被重新开始，第一截止阀100(100a，100b，100c)和第二截止阀300(300a，300b，300c)被操作为打开的，并且第三截止阀400(400a，400b，400c)被操作为关闭的。
当燃料电池系统200被驱动时，燃料电池系统200的温度能达到60～80摄氏度的范围，并且从燃料电池系统200发出的热量被传送到吸附箱500以致吸附箱500的压力被升高。
当吸附箱500的压力，它被压力计800测定，由于从燃料电池系统200传送来的热量而达到一个预定压力时，第四截止阀600被操作为打开的并且真空泵800被驱动以便被吸附的残余物从吸附箱500中的吸附剂中分离。
当在吸附箱500中的压力增加时，被应用于真空泵700的负载被减少以致被吸附的残余物能被容易地从吸附剂中分离。
此外，如果吸附箱的压力，它被压力计800测定，不是上下变动的，就可以确定残余物的分离被完成了。从而，第四截止阀600被操作为关闭的并且为下一次吸附的准备被完成。
图2是一个根据本发明的第二实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图。
如图2所示，本发明的第二实施方式进一步提供了一个热交换器900。
热交换器900被放入燃料电池系统200和吸附箱500之间以便能提高传热率。从而，吸附箱500的压力更快地达到预定压力，且包括可燃气体、氧化剂、和水的被吸附的残余物被更快地排出到空气中。
图3是一个根据本发明的第三实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图。
如图3所示，吸附箱500的内部空间被分成相应于各个流场210，220，230的三个部分500a，500b，500c，在吸附箱的每个部分500a，500b，500c中的吸附剂基于被吸附到各个部分500a，500b，500c中的残余物的种类被选取。
三个部分500a，500b，500c的每一个分别与通向吸附箱500的各个输入通道相连。
图4是一个根据本发明的第四实施方式的用于除去一燃料电池系统中的残余物的装置的示意图。
如图4所示，一个增湿器1000与通向用于氧化剂的流场210和用于可燃气体的流场220的输入通道相连。
要是一个包括薄膜电极部件的燃料电池系统被形成为具有一固体聚合物薄膜，被供应到燃料电池系统中的可燃气体和氧化剂包含一预定量的水分是更好的。
从而，增湿器1000与通向用于氧化剂的流场210和用于可燃气体的流场220的输入通道相连。
优选地，增湿器1000的内部空间被分成两个部分，分别与用于氧化剂的流场210和用于可燃气体的流场220相连。
当增湿器1000被提供时，如果燃料电池系统200的驱动被完成，用于增湿的水残留在增湿器1000和流场210，220中以致需要除去所述的水。从而，如图4所示，在增湿器1000和流场210，220中的残留的水可通过上述操作一起除去。
此外，增湿器1000能与另一个泵(未示出)或所述水排出泵相连以便在增湿器1000中的水在被吸附剂吸附之前被除去。
当增湿器1000被提供来给所述薄膜增加水分时，这个方法特别有用。
根据本发明的实施方式，在燃料电池系统的流场中的残余物被有效地除去而没有额外用于氮清洗的装置和氮的生成物消耗。

Claims (10)

1、一种用于除去燃料电池系统中的残余物的装置，该燃料电池系统具有多个用于可燃气体和用于氧化剂的流场，该装置包括：
一个吸附箱，其中存储吸附剂用于吸附从所述燃料电池系统发送出的残余物；
一个与所述吸附箱相连的真空泵，用于分离被吸附到所述吸附剂中的残余物；
一个压力计用于测定所述吸附箱的压力；
设置在通向每个流场的输入通道上的第一截止阀；
设置在从每个流场来的输出通道上的第二截止阀；
设置在从每个流场和与之对应的第二截止阀之间的输出通道上分叉并通向所述吸附箱的输入通道上的第三截止阀；和
第四截止阀，该第四截止阀装在一个从所述吸附箱到所述真空泵的输出通道上。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述多个流场进一步包括一个用于冷却剂的流场。
3、如权利要求2所述的装置，其中一个冷却剂排出泵被装在从所述用于冷却剂的流场来的输出通道上。
4、如权利要求1所述的装置，其中所述吸附剂从沸石和硅胶之一中选取。
5、如权利要求1所述的装置，其中所述吸附箱的内部空间被分成相应于所述用于可燃气体的流场和用于氧化剂的流场的若干部分。
6、如权利要求5所述的装置，其中在所述吸附箱的每个部分中的吸附剂基于被吸附在该部分中的残余物的种类被选取。
7、如权利要求1所述的装置，进一步包括一个放入所述燃料电池系统和所述吸附箱之间的热交换器，将从所述燃料电池系统发出的热量传导到所述吸附箱。
8、一种用于除去燃料电池系统中的残余物的方法，该燃料电池系统具有多个用于可燃气体和用于氧化剂的流场，该方法包括：
当燃料电池系统的驱动停止时，隔离所述多个流场的多个输入通道和多个输出通道；
使所述多个流场和一个用于吸附所述燃料电池系统中的残余物的吸附箱相通；和
通过驱动一个与所述吸附箱相连的真空泵来分离被吸附到所述吸附剂中的残余物。
9、如权利要求8所述的方法，进一步包括，在所述残余物的分离前，确定是否所述吸附箱的压力达到一个稳定的状态；当所述吸附箱的压力达到所述稳定状态时，隔离所述吸附箱；将从所述燃料电池系统发出的热量传导到所述吸附箱；和确定是否所述吸附箱的压力大于一个预定压力，其中当所述吸附箱的压力大于所述预定压力时，所述真空泵被驱动。
10、如权利要求9所述的方法，其中所述多个流场进一步包括一个用于冷却剂的流场；并且所述用于除去残余物的方法进一步包括，在隔离所述多个流场的输入通道和输出通道之前，通过驱动一个冷却剂排出泵来排出残留的冷却剂，该冷却剂排出泵装在从所述用于冷却剂的流场来的输出通道上。
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