CN1340221A - 用于维持燃料电池系统中的中性水平衡的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在一个燃料电池系统中,在不采用冷凝器的情况下,通过控制燃料电池组的操作温度,可以特别是由系统的加湿器和燃料处理器从燃料电池组的废气中获得满足系统的消耗需求的充足的水。可以例如采用一个控制器来控制操作温度,该控制器监视处理水水箱中的水位并通过控制燃料电池冷却系统提高或降低操作温度以将水位保持在代表系统中的中性水平衡的预定范围内。

Description

用于维持燃料电池系统中的 中性水平衡的方法和设备

技术领域

本发明总的涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种维持汽车的燃料电池中的中性水平衡的方法。

发明背景

在装有燃料电池的汽车系统中，重要的是维持中性水平衡，从而汽车不会在消耗纯净水的情况下用光处理水。通常，汽车的燃料电池系统需要在排气管处有一个冷凝器，以便回收处理水并保持燃料电池中的中性水平衡。冷凝器比较大并在这种系统中占据很大的体积。因此，希望提供一种用于操作这样一种燃料电池的方法，即在该燃料电池中可无需冷凝器地保持中性水平衡。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于提供一种可最大限度地减少由于燃料电池中水的耗尽而造成的故障和损坏的燃料电池组件。

本发明的另一个目的是能够在以有效的方式操作燃料电池的同时维持足够的含水量。

本发明的再一个目的是在维持足够的含水量的同时使性能最佳化。

本发明的更进一步的目的是在维持燃料电池中有足够的含水量的同时减少燃料电池的总重和所需的空间。

本发明的另一个目的是在维持燃料电池中有足够的含水量的同时简化燃料电池的支承系统。

本发明的这些和其它目的由一种包括一水平衡控制系统的燃料电池组件实现，其中该水平衡控制系统实现为在燃料电池内重现平衡状态所必须的燃料电池的水产生或消耗。水平衡控制系统通过调整燃料电池的操作温度而引起这种产生或消耗。燃料电池操作温度可以通过控制从燃料电池冷却剂的传热程度来得以调整。最好，通过冷却剂回路中的一个由风扇冷却的散热器控制这种热传递。

水平衡控制系统可以根据一个或多个指示燃料电池的水平衡状态的不同系数来进行必要的温度调整。在本发明的一个实施例中，燃料电池系统在环境条件为30摄氏度，相对湿度RH为60％以及1个大气压时于30psig的情况下在降低的温度例如大约58.5℃下操作，这样能够使系统直接从燃料电池回收更多的水，由此消除对在汽车系统中从废气回收水的冷凝器的需要。

在本发明的一个进一步的实施例中，在响应于相对操作条件(例如负荷、电池组温度和电池组压力)的负荷有封闭回路的水平衡的情况下，燃料电池操作温度根据测得的环境条件(例如温度、压力和相对湿度)的变化而改变。例如，可以调整燃料电池操作条件以将储箱中的水位保持在一个预定的范围内。本发明也可以包括这些方案的组合。

一个主要的优点是取消了冷凝器和任何有关的风扇，并且相应地减少了系统的尺寸，复杂程度和附加载荷。较低的燃料电池操作温度的另一个优点是减少了润湿阴极空气所需的水量。因此，由压缩空气和重整装置的过量水(或产物(downlet))产生的热可足以使水汽化并直接润湿阴极空气。

附图说明

通过参看附图地阅读下面给出的本发明的详细说明可更好地理解本发明，图中：

图1是根据本发明的一个优选实施例的不带冷凝器的燃料电池系统的框图；

图2是在各种系统压力下热交换区与操作温度的曲线图；

图3是在各种系统压力下冷凝器中的水收集与操作温度的曲线图；

图4是两个系统的纯净水平衡的曲线图，示出了环境温度的作用；

图5是燃料电池操作温度与环境温度的曲线图；以及

图6是表示图4所示两个系统的环境温度的下降作用的曲线图，其中一个系统具有恒定的燃料电池操作温度，而另一个系统具有如图5所示的可变温度。

具体实施方式

根据本发明，燃料电池系统的作用是在包括一个加湿器、燃料电池组、分离器、储水槽或水箱和水泵的水回路中保持中性水平衡。如在整个申请文件中所采用的那样，中性水平衡指的是燃料电池系统在燃料电池组的氧化剂和燃料废气中产生足够的液态水以满足系统所需的耗水量，尤其是进气加湿器和燃料处理器的耗水量的能力。

燃料电池系统在无需用于从燃料电池组排出的气体中回收水的冷凝器的情况下保持中性水平衡。一种可取消冷凝器但仍保持中性水平衡的技术是保持燃料电池组操作温度低于一定温度。第二种技术是利用一个控制系统调节燃料电池组的操作温度。控制系统利用从燃料系统测得的参数，例如水箱液面、水温和从燃料电池得到的动力载荷确定和控制理想的系统散热率，由此控制燃料电池组的操作温度。

参看图1，图中示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统。该燃料电池系统包括一个加湿器，散热器，水泵和燃料电池组。有利的是，燃料电池系统不需要冷凝器来从燃料电池组的废气中回收水并由此保持中性水平衡。

燃料电池系统包括数个流体通路，例如燃料电池冷却剂通路20，空气通路40，燃料通路60，废气通路80和供水通路100。燃料电池冷却剂通路20是一条冷却剂的回路，包括一个加湿器22，一个散热器24，一个泵26和一个燃料电池28。散热器24将冷却剂的温度冷却到燃料电池28的理想操作温度。排出散热器24的冷却剂随后通过冷却剂泵26被泵送给燃料电池28。在燃料电池28中的冷却剂用于调节燃料电池组温度。来自燃料电池28的冷却剂排出加湿器22，以便进行热交换。冷却剂从加湿器22返回散热器24以进行冷却。

空气通路40在空气于理想的操作压力下经空气压缩机42被泵入加湿器22的情况下起用。加湿器22将水蒸发以获得所需的湿度，然后将空气/水的混合物引入燃料电池28。空气压缩机22还将空气泵入燃料处理器64。

燃料通路60从燃料泵62伸入燃料处理器64。燃料处理器64将水引入燃料以形成一种富含氢气的气体燃料混合物。所形成的燃料混合物随后从燃料处理器64流到用于减少燃料混合物的温度的阳极冷却器66。一旦燃料混合物被冷却，就用输入分离器68使多余的水与燃料混合物分离。然后，将剩余的燃料混合物引入燃料电池28。

一对废气通路80a，80b引出燃料电池28。第一废气通路80a将来自燃料电池28的空气/水混合物排入一个排气分离器82以使水与空气分离。然后，来自排气分离器82的水返回到水箱84，而来自排气分离器82的空气被引入一个尾气燃烧器86。第二废气通路80b将燃料混合物排出燃料电池28并引入一个燃料排放分离器88以使水与燃料混合物分离。使来自燃料排放分离器88的水返回水箱84，并将来自燃料排放分离器88的剩余燃料混合物引入尾气燃烧器86。尾气燃烧器86燃烧来自排放分离器82，88的的废气，这些废气可被排出到一个任选的扩张器92中。

供水通路100是一个水的回路，包括水箱84，水泵102和燃料处理器64。来自水箱84的水经水泵102被泵入燃料处理器64中。水泵102还将水从水箱84中泵出以供给加湿器22。水箱84还接收来自排放分离器82，88和输入分离器68的水。任选地，水箱84可根据所用的燃料处理器进一步地接收来自燃料处理器的水。

图2示出了一些实验数据，这表明在燃料电池组的操作温度降低时，冷凝器从燃料电池组废气中冷凝足够的水蒸气以保持中性水平衡所需的表面面积也减小。于是，对于一给定的操作压力，当操作温度降低到某一点时，冷凝器所需的表面面积接近于零；因此，消除了设置冷凝器的需求。如图2所示，冷凝器所需的表面面积也作为给定温度时的压力的函数而变化。当操作压力增加时，去除了冷凝器时的温度也增加。这样，如果操作压力例如为30psig，在环境条件为21℃，1个大气压力且相对湿度RH为60％时取消用于维持中性水平衡的冷凝器的温度大约为58.5℃。

中性水平衡通过一些控制系统来实现，这些控制系统负责监控例如温度、压力和相对湿度等环境参数，例如载荷、操作压力和温度等的燃料电池系统参数，以及润湿和燃料处理器要求。控制系统调节系统中的燃料电池温度以获得中性水平衡。在一个给定的系统结构下，一旦操作温度高于一定水平，燃料电池系统就开始经由废气流中的水蒸气损失水分。相反，一旦操作温度降低到低于一定水平，燃料电池系统就开始获得水，因为燃料电池组中较低的温度增加了水凝结的速度。

在一个优选实施例中，控制系统用于通过控制从燃料电池系统中散热的速率来控制中性水平衡。增加从燃料电池系统中的散热量会增加水的凝结量或降低从该系统蒸发的水量。或者，降低从燃料电池系统中的散热量会减少水的凝结量或增加从该系统排出的水蒸气量。

在本技术领域中已知有各种用于控制从散热器的散热率的机构，而且这些机构中的任何一种都可以与本发明联用。在一个优选实施例中，通过控制散热器上风扇的操作来控制散热率。开启风扇或者增加风扇的速度都可以增加散热器的散热率。或者按另一种方案，关闭风扇或者降低风扇的速度可以使散热器的散热率降低。

尽管可以利用任何能够表明中性水平衡或操作温度的参数来表示系统的散热率是否可以增加，降低，或者可以保持相同，但本发明的优选实施例可以包括两个主要参数的任意组合。第一个参数是水箱内的水位。第二个参数是供给燃料电池组的冷却剂的温度。也可以使用其它参数，例如环境条件(压力、温度和相对湿度)和操作条件，例如燃料电池组压力、温度、湿度、载荷和燃料处理器要求。

水位的测量并不局限于一个特殊的位置。在优选实施例中，水平衡控制装置可以接收来自一个与水箱相连的水位传感器的信号。该传感器可以监视水位是否在足以供应系统所需的耗水量的预定范围内。如果信号表明水位已降到该范围的最低水位以下，诸如数字式计算机的水平衡控制装置就可以产生一个信号以通过操作散热器的冷却风扇而降低燃料电池组的操作温度。

另外，本发明不局限于测量水位的方法或装备。例如，可以通过一个可变探测器来测量水位，或者按照另一种方案，可以仅在水位达到一个高水平或一个低水平之后指示水位。

控制系统也可以通过在水位到达某一高度时提高或降低系统的散热率而与水位的测量相结合地工作。例如，如果水位过低，控制系统就将增加系统的散热率。或者，如果水位过高，控制系统就将降低系统的散热率。这样，控制系统起到维持系统中的理想水位的作用。系统中的理想水位由水消耗装置，即燃料处理器和平衡由燃料电池组产生的水的加湿器的要求以及在对燃料电池的反应动力相当有利的温度下燃料电池排气中水蒸气的损失一起来确定。

测量水位的控制系统的优点是控制和测量装置比较简单。

操作温度的测量并不局限于一个特殊的位置。图示的例子包括在水进入散热器之前或在水离开散热器之后测量水离开燃料电池时的水温。

控制系统也可以通过在预测模式中增加或降低系统的散热率而结合环境条件和操作条件的测量地工作。在一个给定温度，当从系统产生的动力量降低时，系统会损失水。或者，在一个给定温度，当从系统产生的动力量加大时，系统会得到水。因此，如果动力载荷增加，则控制系统将降低系统的散热率。或者，如果动力载荷减小，控制系统将增加系统的散热率。这样，控制系统起到保持系统的所需水平衡的作用。由于在系统中损失或获得的水量可能不是动力载荷的线性函数，所以使动力载荷与系统所需的散热率有关的算法可能必须要加入控制系统中。

监视动力载荷的控制系统的一个附加的优点是控制系统能够适应比正常的载荷要求更高的载荷。通过将电池组的温度升高到高于一个指定温度(该指定温度是环境空气温度和湿度的函数)，系统能够产生更大的动力。但是，系统也同样损失水。损失的水可以通过将电池组温度降低到上述指定温度之下而得以补充。但是，电池组温度的降低会使动力输出相应地降低。

通过设置一个测量燃料电池的动力载荷的控制系统，控制系统中的算法可以有利地推迟电池组温度的降低，直至由燃料电池产生的动力载荷降低时为止。由此，控制系统既能够保持中性水平衡，又可以允许出现需要增加的动力消耗的情况。

本发明的一个进一步的优点是，在较低的燃料电池操作温度时，润湿阴极空气所需的水量被减少了。因此，加湿器需要减少的热量来产生阴极空气所必需的湿度水平。就这点而论，由压缩空气和重整装置的多余水(或产物)产生的热足以汽化水并直接湿润阴极空气。相反，传统的润湿方法要求额外的热(例如来自如图1所示的冷却回路的热)来汽化空气流中的水。但是，在本发明方法的较低的燃料电池操作温度下，使润湿得以简化并消除了对额外的热的需求。

在本发明的一个进一步的实施例中，燃料电池操作温度可以根据测得的环境温度变化。环境温度的改变会影响燃料电池系统在处理水平衡和净动力输出方面的性能。在设计点(例如，50KW净系统操作温度为58.5℃且环境条件为30℃，1个大气压和60％的相对湿度)，水平衡是中性的。对于在比参考温度高的环境温度下工作的燃料电池系统，在系统中有纯净水产生，并且在恒定的环境相对湿度下且在较低的环境温度(例如如图4所示)时反过来也是一样。另外，在较高的环境温度下，燃料电池系统减载，这是因为由于较高的附加载荷尤其是散热器和压缩机(例如见图6中的恒定温度线)的较高的附加载荷，可获得较低的净功率。通过响应于环境温度(即，在较高环境条件下较高的燃料电池组温度，以及在较低环境空气温度下较低的燃料电池组温度)地改变燃料电池操作温度，处理水平衡处于闭合回路并且没有水的消耗/产生(例如见图5)。现在参看图6(调整后的线段)，通过改变燃料电池组温度而使下降最小化。

上面已经以比较大的特殊性描述了本发明的优选实施例，而且这种描述仅是示例性的。本发明还可以以许多其它形式体现。因此，本发明的范围不应局限于上述的公开内容，而是应该考虑根据相关法律的后续权利要求书的内容。

Claims (8)

1.一种燃料电池组件，包括：

一个燃料电池；

一个用于接收并暂时储存来自燃料电池的废气的水的水箱，所述水箱向燃料电池供应水；

一个用于控制燃料电池的操作温度的燃料电池冷却系统；

一个水平衡控制系统，它包括：

至少一个从下述组中选出的传感器：

一个可操作地与燃料电池相连以用于产生一个对应于燃料电池的操作温度的燃料电池操作温度信号的温度传感器；

一个用于产生对应于包围燃料电池组件的环境空气的温度的环境温度信号的温度传感器；

一个压力传感器，它可操作地与燃料电池相连，用于产生一个对应于燃料电池的操作压力的燃料电池操作压力信号；

一个载荷传感器，它可操作地与燃料电池相连，用于产生一个对应于加在燃料电池上的操作载荷的燃料电池操作载荷信号；

一个水位传感器，它可操作地与水箱相连，用于产生一个对应于水箱中的水量的水位信号；以及

一个用于响应于上述信号中的至少一个信号调节燃料电池的操作温度的水平衡控制装置，所述水平衡控制装置通过控制所述燃料电池冷却系统而调整所述操作温度。

2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述水平衡控制装置通过响应于所述水位信号地控制燃料电池冷却系统以维持水箱中的水量处于一个预定范围内来调整燃料电池的操作温度，这一步骤是在给定的操作温度，操作压力和燃料电池载荷下有选择地对应于所述燃料电池的中性水平衡而进行的。

3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述水平衡控制装置在给定的操作温度、操作压力和燃料电池载荷下有选择地对应于所述燃料电池的中性水平衡地响应于所述燃料电池操作温度信号地致动和取消冷却剂系统的操作以将水箱中的水量保持在一个预定的水平。

4.如权利要求1所述的组件，其特征在于，冷却剂系统包括：

一种冷却剂；

一个用于使冷却剂进入和流出燃料电池的冷却剂通路；

一个沿所述冷却剂通路设置的冷却剂温度控制器，以有选择地降低冷却剂的温度；以及

一个用于将冷却剂供给燃料电池的泵。

5.如权利要求1所述的组件，其特征在于，燃料电池冷却剂系统包括用以从燃料电池传递热量的一个散热器和冷却风扇。

6.一种控制燃料电池系统中的水量的方法，所述燃料电池系统具有一个燃料电池；一个用于接收从燃料电池排出的水并向燃料电池供应水的水箱；一个燃料电池冷却系统；一个水位传感器，它可操作地与水箱相连，用于产生一个对应于水箱中的水量的水位信号；一个用于响应于水位传感器地通过冷却系统调节燃料电池的操作温度的水平衡控制装置，所述方法包括以下步骤：

探测水箱中的水位；

对应于水箱中的水量地产生一个水位信号；

将水位信号与对应于水位的预定范围的参考信号进行比较，而上述水位的预定范围表明燃料电池系统中的中性水平衡；

调整燃料电池的操作温度，由此改变燃料电池的耗水量和水的产生，以使水位返回到一个对应于中性水平衡的高度。

7.一种控制燃料电池系统中的水量的方法，所述燃料电池系统具有一个燃料电池；一个用于接收从燃料电池排出的水并向燃料电池供应水的水箱；一个燃料电池冷却系统；一个用于通过冷却系统调节燃料电池的操作温度的水平衡控制装置，所述方法包括以下步骤：

提供至少一个从下述组中选择的传感器：一个可操作地与燃料电池相连以用于产生一个对应于燃料电池的操作温度的燃料电池操作温度信号的温度传感器；一个用于产生对应于包围燃料电池组件的环境空气的温度的环境温度信号的第二温度传感器；一个压力传感器，它可操作地与燃料电池相连，用于产生一个对应于燃料电池的操作压力的燃料电池操作压力信号；一个载荷传感器，它可操作地与燃料电池相连，用于产生一个对应于加在燃料电池上的操作载荷的燃料电池操作载荷信号；

探测来自所述的至少一个传感器的参数；

对应于所述感测到的参数从所述至少一个传感器产生至少一个传感器信号；

响应于所述至少一个传感器地调整燃料电池的操作温度，由此改变燃料电池的耗水量和水的产生，以使水位返回到一个对应于中性水平衡的高度。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，燃料电池的操作温度在环境温度大约为30℃，相对湿度RH为60％且在1个大气压下时低于60℃。

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