CN1531759A - 燃料电池阴极气体电控旁路到燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种供燃料电池用的气体控制系统(50)，它包括供气管线(60)和增湿器(54)。燃料电池组包括带有入口和出口的阴极流送管线(26)。阴极流送管线(26)的入口被连接到增湿器(54)的出口上。燃烧室(58)包括一个进口，它接受来自阴极流送管线(26)出口的气体。阀门和旁通管线把增湿器(54)和燃料电池组周围的气体旁路到燃烧室(58)中。阀门最好是限气阀、节流阀和方向阀当中的一种。气流传感器基于流经增湿器(54)、燃料电池组的阴极流送管线(26)和旁路管线中的至少一种装置的气流来产生气流信号。连接在气流传感器和阀门上的气流控制器基于气流信号来控制阀门。

Description

燃料电池阴极气体电控旁路到燃烧室

发明领域

本发明涉及燃料电池，更具体地说，是涉及控制流向燃料电池和燃烧室中的气流的系统和方法。

发明背景

燃料电池正日益增多地被用作各种不同应用中的电源。燃料电池也被提议用于运载工具中作为内燃机的替代物。固体聚合物电解质燃料电池包括一层膜，它像三明治那样被夹在阳极和阴极之间。为通过电化学反应来产生电能，氢气(H₂)被提供到阳极，而氧气(O₂)被提供到阴极。在某些体系中，氢气源是重整气体而氧气源是空气。

在第一个半电池反应中，在阳极的氢气(H₂)离解产生氢质子(H⁺)和电子(e^-)。膜是可导通质子并且是电介体。结果，质子通过膜被传输而电子则流经交叉连接在膜上的负载。在第二个半电池反应中，氧气(O₂)在阴极与质子(H₊)反应，电子(e^-)被吸收而形成水(H₂O)。

为有效地运作并产生最大可能数量的电能，燃料电池必须被适当地增湿。为达到合适的湿度范围，通常氢气流和/或氧气流是用本领域已知的一些方法中的一种来增湿的。普通的湿度控制方法一般难于充份地控制流向燃料电池的氢气和氧气的湿度。如果有太多湿气到达燃料电池，将会阻断反应气体接近催化剂从而妨碍了氢气和氧气之间的电化学反应，并减少了电能的生产。如果只有太少的湿气到达燃料电池，则会约束或限制燃料电池内反应所需的质子的传输，并且也可能物理地损伤燃料电池。

燃料电池是通过燃料电池组的阴极流送管线来为燃料电池的运作提供氧气的。富含氢气的燃气流通过燃料电池组的阳极流送管线来为燃料电池运作提供氢气。连接在阳极流送管线出口的燃烧室燃烧掉过量的通过燃料电池组的氢气并为燃料电池体系提供热量。为控制燃烧室的温度，必须提供氧气流来冷却或加热燃烧室。燃烧室可以富氢运行或贫氢运行，如果是富氢运行，更多的氧将增加燃烧室的温度。如果是贫氢运行，则更多的氧由于氧气这时仅作为稀释剂起作用，因此将使燃烧室冷却。氧气流典型地是由燃料电池组的阴极流送管线出口来提供的。

为有效地运作燃料电池组，必须控制流向阳极和阴极流送管线的气流的化学计量。因为燃料电池组和燃烧室是串接的，因此无论对所需的阴极化学计量还是所需的燃烧室空气，提供的氧气流速总是最大可能值。一般地，为满足阴极化学计量所需的氧气流的流速总是大大低于燃烧室所需的氧气流。常常是，通过燃料电池组的氧气流的数量远高于最佳化学计量，这将负面地影响效率。由于把过量氧气通过燃料电池组，也会发生压力降。压力降增加了压缩机的负荷，从而也降低了系统的总体效率。

另外，燃料电池组的阴极流送管线为适当运作需要一定水平的增湿作用。另一方面，燃料室的性能却会被高含水量的氧气流负面地影响。当燃烧室需要比燃料电池组更多的空气时，燃料电池组仍然需要所有被湿化到同一相对湿度水平的空气。并不是阴极所需要的额外的水和用来增湿氧气的热量将要求使用比原来需要的更大的增湿器。

发明概述

一种为燃料电池用的气流控制系统，包括供气管线和增湿器。增湿器的入口连接到供气管线的出口上。燃料电池包括阴极流送管线。阴极流送管线的入口连接到增湿器的出口上。燃烧室包括接受来自阴极流送管线出口的气体的入口。阀门和旁通管线旁路增湿器周围和由燃料电池组流向燃烧室入口的气体。

在本发明的其它特色中有，阀门优选限气阀、节流阀或方向阀。阀门最好是位于旁通管线上，在供气管线和增湿器之间，或者在燃料电池组和燃烧室之间。

本发明还有一些特色，即气流传感器根据流经增湿器、燃料电池组的阴极流送管线和旁通管线这些装置中的至少一种中的气体来产生气流信号。连接在气流传感器和阀门上的气流控制器基于气流信号来控制阀门。

由说明书、权利要求和附图中可以容易地明白本发明的其它目的、特色和益处。

附图简述

通过参照下面的描述和附图，本发明的各种特色、益处和别的用处将变得很明显，其中：

图1说明示例的燃料电池装置的膜电极装置的横截面。

图2是说明按照先有技术的用于燃料电池的气流控制系统的示意方框流程图；

图3A是说明为燃料电池用的第一种气流控制系统的示意方框流程图，它包括位于供气管线和增湿器之间的阀门；

图3B是说明为燃料电池用的第二种气流控制系统的示意方框流程图，它包括位于燃料电池组和燃烧室之间的阀门；

图4A是说明为燃料电池用的第三种气流控制系统的示意方框流程图，它包括位于供气管线和增湿器之间的阀门；

图4B是说明为燃料电池用的第四种气流控制系统的示意方框流程图，它包括位于燃料电池组和燃烧室之间的阀门；

图5是说明为燃烧电池用的第五种气流控制系统的示意方框流程图，它包括在旁通管线中的阀门。

优选的实施方案的详述

随后的详述仅仅是提供优选的示例说明用的实施方案，它不应限制本发明的范围、适用性或构成。更确切地，随后的优选示例性实施方案的详述，是为本领域的技术人员提供使他们实施本发明这些优选实施方案成为可能的必要描述。应该理解在不偏离像展示在所附的权利要求中的本发明范围的精神的条件下，仍可以在一些单元的功能和安排方面做出各种改变。

本发明的气流控制系统使用旁通管线和阀门来旁路增湿器和燃料电池周围的气体。这一旁通管线和阀门指引旁路到燃烧室的气体。把增湿器和燃料电池周围的气体旁路降低了进入燃烧室的气体的湿度并减少了对燃料电池系统组件的需要。这种气流控制系统可以在各别燃料电池上运作，或者在燃料电池组上运作。被旁路的气体优选是流入燃料电池的阴极流送管线的空气或氧气。这种气流控制系统也可以用来控制燃烧室的温度。

现参看图1，其中显示出燃料电池装置10的横截面，它包括膜电极装置(MEA)12。最好是，这种膜电极装置是质子交换膜(PEM)。膜电极装置12包括膜14，阴极16和阳极18。膜14像三明治那样夹在阴极16的内表面和阳极18的内表面之间。

阴极扩散介质20被安置在邻近阴极16的地方。阳极扩散介质24被安置在邻近阳极18内表面的地方。燃料电池装置10进一步包括阴极流送管线26和阳极流送管线28。阴极流送管线26接受并引导来自供气源的氧气(O₂)到阴极扩散介质20。阳极流送管线28接受并引导来自供气源的氢气(H₂)到阳极扩散介质24。为简单起见，本说明书就称之为氢气(H₂)和氧气(O₂)。熟练的技术人员应能理解，本发明可被应用于使用空气和重整气体的体系中。

在燃料电池装置10中，膜14是阳离子可渗透的、含有H⁺离子作为移动离子的质子导通膜。可燃气体是氢气(H₂)，氧化剂是氧气(O₂)。总的电池反应是氢氧化成水，在阳极18和阴极16上各自的反应如下：

                     

                 

因为氢被用作燃料气体，所以总的电池反应的产物是水。典型地，产生的水在阴极16上被弃去，阴极是一种多孔电极，在接近氧气的一面包括一层电催化剂层。也可以把水在它形成后收集起来，并以任何普通方式将它从燃料电池装置10的MEA 12上运走。电池反应产生质子的交换，其方向为从阳极扩散介质24向阴极扩散介质20。以这种方式，燃料电池装置10产生电能。负载30被横穿过MEA电连接(换言之，负载被连接在极板32和34上。如果这一燃料电池邻接其它燃料电池，则极板32和/或34是双极的。如果没有邻接的燃料电池，极板32和/或34就是终端极板)。

为有效地运作并产出最大量的电能，燃料电池装置10必须被适度地增湿。典型地，提供给阴极流送管线26的氧气流和/或提供给阳级流送管线28的氢气流，要用本领域已知的一些方法当中的一种来增湿。在一般方法中，阳极气体和/或阴极气体在把它们导向燃料电池之前先被引导到一种膜增湿器中。这种增湿器或者是在燃料电池的外部，或者作为在燃料电池组内的一部份。在其它方法中，燃料电池也可以通过使用水芯材料来增湿，如公开于美国专利NOs.5,935,725和5,952,119中的那些，这些专利在此引入作为参考，这些材料将水从蓄水池引导到MEA 12中。另外，可将水(H₂O)的气流或水雾注入阴极气流和阳极气流二者中来使它们增湿，这可以在流程上游或在燃料电池组中实施。还有另外一种方法，即把氧气流在阳极流送管线28的上游注入氢气流中，与小量氢气反应以产生水，用来增湿氢气流。氢气流可在阴极流送管线的上游注入氧气流中，与小量氧气反应产生水，用来增湿氧气流。

现在参照图2，它说明按先有技术的气流控制系统50，其中包括增湿器54，燃料电池组56和燃烧室58。增湿器54增加了由供气管线60提供的气体的湿度。气体，诸如空气或氧气典型地是通过压缩机(未显示)提供给供气管线的。增湿器54对提供到燃料电池组56的阴极流送管线26入口的气体进行增湿。

燃料电池需要氧气流通过燃料电池组56的阴极流送管线26提供氧气，使燃料电池运作。富含氢的燃气流通过燃料电池组56的阳极流送管线28，提供氢气使燃料电池运作。燃烧室58的入口连接着阳极流送管线28的出口。燃烧室58把经过燃料电池组56的过量的氢气和氧气转化为水。这是一个放热反应，产生的热量中的一部份返回到燃料电池系统。为控制燃烧室58的温度，必须向燃烧室58提供合适数量的氧气。氧气流典型地是由燃料电池组56的阴极流送管线26的出口氧气流来提供的。

为了在最佳点运作燃料电池，必须控制流往阳极流送管线28和阴极流送管线26的气流的化学计量。因为燃料电池组56和燃烧室58是串接的，提供的气流速度或者是所需要的阴极化学计量的最大值，或者是所需要的燃烧室氧气流的最大值。需要用来满足阴极化学计量的氧气流的流速可能远小于燃烧室58所需要的氧气流的流速。这样，图2中的设计就不会尽可能地有效。由于通过燃料电池组56的过量空气，还会产生额外的压降。这种压降增加了压缩机(未显示)的负荷，从而也降低了总的系统效率。

另外，燃料电池组56的阴极流送管线26为适当运作需要一定程度的增湿作用。另一方面，燃料室58则不一定需要增湿的空气。燃烧室58的性能会由于进入燃烧室58的高含水量的氧气流而受到负面的影响。用来增湿阴极本来并不需要的氧气所用的额外的水和热量将导致要求使用更大的增湿器。

现在参照图3A，在合适的场合图2中使用过的数码也用来指示类似的单元。按照本发明的用于燃料电池的气流控制系统75包括气体流速传感器78，它测量进入增湿器54的气流(诸如空气或氧气)的流速。这种气流速度传感器可以是一种模拟在软件中的有效传感器或者任何别的合适的流速传感器。一种气体旁路管线，包括阀门84，它位于供气管线和增湿气54的入口之间。旁路管线80的一端连接在供气管线和阀门84之间。旁路管线80的相反一端连接在燃料电池组56的出口和燃烧室58的入口之间。气流控制器90连接到气体流速传感器78和阀门84上。气流控制器90可以是一种电子电路、一种专用集成电路(ASIC)、一种微型处理器和存储器或任何其它合适的控制电路。

阀门84最好是一种限气阀或节流阀。熟练的技术人员应能理解气体流速传感器78也可安置在其它位置，诸如旁路管线80上。典型地，压缩机(例如供气管线60)输出端的气体流速是已知的。例如，一种金属丝测压计被用来测量由压缩机输出的流速和/或通过压缩机的转动速度和压力比率来衍生出气体流速。虽然气体流速传感器78也可被安置在增湿器54或燃料电池组56之后，但这种位置较少使用，因为水份倾向于收集在金属丝测压计上从而降低了后者的精确性。在一个优选的实施方案中，阀门84类似于用在内燃机中的那种普通节流阀。

在应用时，气流控制系统75控制着流经第一条途径的气流，该途径包括增湿器54和燃料电池组的阴极流送管线26，并经过第二条途径，包括旁路管线80。这种气流控制系统75通过把一部份压缩机气体经第二条途径绕过增湿器54和燃料电池组56进行分流而降低了系统的压力。当气流控制器90测定出阴极流送管线26只需较少的氧气时，气流控制器90就把更多的空气分流转向第二条途径而把较少的空气通往第一条路径。当流速控制器90测定出阴极流送管线26需要更多的氧气时，流速控制器就分流较少的空气到第二条途径而让更多的空气流向第一条途径。

在某些系统运作模式中，当燃料电池组56不运作时，阀门84即被关闭。所有的气体都流向第二条途径。当燃料电池组运作时，阀门84和控制器90仅让为使阴极16以适当的化学计量运作所必需的气流经过第一条途径。其余气流则被分流通过第二条途径。因为流经第二条途径的过量气流并不通过增湿器54，增湿器的尺寸即可以减小，因为热负荷和水用量的需要仅仅依赖于燃料电池组56的阴极16的计量化学需要。

在燃料电池组56的阴极流送管线26的出口。两种气流被重新汇合以提供用于燃烧室58的气体。阀门84最好被设计成在关闭位置时不起作用，这将迫使所有气体流经第二条途径并防止气体进入第一条途径。这是用于燃料电池系统所需要的故障保险运作模式。

现在参照图3B，在适当场合仍沿用图2和图3A中用过的参照数码来指示类似的单元。用于燃料电池的气流控制系统100包括气体流速传感器78，它测量进入增湿器54的气体的流速。气体旁通管线包括旁通管线102，它有一端连接在阀门84的出口端。熟练的技术人员应能理解气体流速传感器78也能安置在如前所述的其它位置。阀门84连接在燃料电池组56的出口和燃烧室的入口之间。旁路管线102的一端连接在供气管线60和增湿器54的入口之间。旁路管线102的相反一端连接在阀门84和燃烧室58的入口之间。气流控制器90被连接在气体流速传感器78和阀门84上。在一种高度优选的实施方案中，阀门84是一种类似于用在内燃机中的普通节流阀。气流控制系统100的运作类似于在前面的图3A中叙述过的那样。

现在参照图4A，在适当场合仍沿用图2和图3A中用过的参照数码来指示类似的单元。气流控制系统110包括气体流速传感器78，它测量进入增湿器54中气体的流速。气体旁路管线包括旁路管线112，它的一端被连接在阀门114上。阀门114最好是一种方向阀。熟练的技术人员应能理解这种气体流速传感器也能被安置在其它位置上，如前面所描述过的那样。阀门114被连接在供气管线60和增湿器54的入口之间。旁路管线112的一端连接在阀门114上。旁路管线112的相反一端被连接在燃料电池组56的出口和燃烧室58的入口之间。气流控制器90连接到气体流速传感器78和阀门114上。气流控制系统110的运作类似于前面对图3A和3B中所描述过的那样。

现在参照图4B、在适当场合仍沿用图2和图4A中用过的参照数码来指示类似的单元。为燃料电池用的气流控制系统120包括气体流速传感器78，它测量进入增湿器54的气体的流速。气体旁路管线包括旁路管线122，它有一端连接到阀门114上。熟练的技术人员应能理解气体流速传感器78也能安置在其它位置上，如前面已描述过的那样。阀门114被连接在燃料电池组56和燃烧室58的入口之间。旁路管线122的一端连接在供气管线60和增湿器54的入口之间。旁路管线122相反的一端被连接到阀门114上。气流控制器90被连接到气体流速传感器78和阀门114上。气流控制系统110的运作类似于前面对图3A、3B和4A所描述过的那样。

熟练的技术人员应能理解，旁路管线80、102、112和122的直径应有适当的尺寸以避免发生短路条件，这时所有的空气都将绕过燃料电池组。旁路管线80、102、112和122都必须足够细小或有一个限制以使气流能在两条途径之间分配。旁路管线直径的大小和/或限制应能基于阀门的动作提供良好的气流分离度。

现在参照图5，在适当场合仍沿用图2和图3A中的参照数码来指示类似的单元。气流控制系统130按照本发明包括气体流速传感器78，它测量进入增湿器54的气体流速。气体旁路管线包括旁路管线132，它的一端连接在供气管线60和增湿器54的入口之间。阀门84安置在旁路管线132中。熟练的技术人员应能理解，如上所述，气体流速传感器78也可安置在其它位置上。旁路管线132的相反一端连接在燃料电池组56的出口和燃烧室58的入口之间。气流控制器90被连接到气体流速传感器78以及阀门84上。

按照本发明的用于燃料电池的气流控制系统提供对流向燃料电池和流向燃烧室的气流的控制。阴极流送管线的化学计量的可变控制使燃料电池的效率增至最高限度。这种气流控制系统允许使用较小的增湿器并且降低了热负荷以及燃料电池系统的用水需求。这种气流控制系统具有较低的系统压降，因为一部份气体绕过燃料电池被分流。这种气流控制系统通过让所有可获得的冷却空气在紧急停工事件中导向燃烧室来为燃烧室提供故障保险运作。没有燃气时，燃烧室即冷却。按照本发明的这种燃料电池系统是较便宜的，较小和较轻便的，因为使用了这里阐明的这种气流控制系统。

由以上的描述现在本领域的技术人员可以理解本发明的这种明白显著的讲授可以多种形式来履行。这样，虽然本发明已结合具体实施例进行过描述，但本发明真正的范围不应因此而被限制，因为对于本领域熟练的技术人员来说，在研究所附图形、说明书和以下的权利要求的基础上，进行别的修饰是明显可能的。

Claims (20)

1.一种供燃料电池用的气流控制系统，它包括：

供气管线；

增湿器，它包括连接在所说的供气管上的入口和一个出口；

燃料电池组，它包括具有入口和出口的阴极流送管线，其中所说的阴极流送管线的入口是连接在所说的增湿器的出口上；

燃烧器，它包括一个入口，后者接受来自所说的阴极流送管的出口的气体。

旁通管线，它的一端连接在所说的供气管线和所说的增湿器的入口之间，相反的一端连接在所说的阴极流送管线的出口和所说的燃烧器的入口之间；以及

位于旁通管线中的阀门。

2.权利要求1的气流控制系统，其中所说的阀门是限气阀和节流阀当中的一种。

3.权利要求1的气流控制系统，其中所说的阀门控制着从所说的供气管线经所说的增湿器到所说的燃料电池组以及经所说的旁通管线到所说的燃烧室的气体。

4.权利要求1的气流控制系统，它进一步包括：

为产生气流信号的气流传感器，气流信号是基于流经所说的增湿器、所说的燃料电池组的阴极流送管线以及所说的旁通管线中的至少一种装置的气流来产生的；以及

连接到所说的气流传感器和所说的阀门上的气流控制器，它基于所说的气流信号来控制所说的阀门。

5.一种供燃料电池用的气流控制体系，它包括：

供气管线；

增湿器，它包括连接到所说的供气管线的入口和一个出口；

燃料电池组，它包括带有入口和出口的阴极流送管线，其中所说的阴极流送管线的所说入口是连接到所说增湿器的所说出口上；

燃烧室，它包括连接到所说的阴极流送管线的出口上的一个入口；

位于所说的供气管线和所说增湿器的入口之间的阀门；

旁通管线，它的一端连接在所说的供气管线和阀门之间，相反的一端连接在所说的阴极流送管线的出口和所说燃烧室的入口之间。

6.权利要求5的气流控制系统，其中所说的阀门是限气阀和节流阀当中的一种。

7.权利要求5的气流控制系统，其中所说的阀门控制着从所说的供气管线经所说的增湿器到所说的燃料电池组以及经所说的旁通管线到所说的燃烧室的气体的量。

8.一种供燃料电池用的气流控制系统，它包括：

为产生气流信号的气流传感器，该气流信号是基于流经所说的增湿器、所说的燃料电池组的阴极流送管线和所说的旁通管线中的至少一种装置中的气体流速来产生的；

连接在所说的气流传感器和所说阀门上的气流控制器，它基于所说的气流信号来控制所说的阀门。

9.一种供燃料电池用的气流控制系统，它包括：

供气管线；

增湿器，它包括连接到所说供气管线上的入口和一个出口；

燃料电池组，它包括带有入口和出口的阴极流送管线，其中所说的阴极流送管线的入口是连接到所说增湿器的出口上；

燃烧室，它包括一个入口，后者连接到所说阴极流送管线的出口上；

阀门，它位于所说阴极流送管线的出口和所说的燃烧室的入口之间；以及

旁通管线，它的一端连接在所说供气管线和增湿器的入口之间，相反的一端连接在所说的阀门和燃烧室的入口之间。

10.权利要求9的气流控制系统，其中所说的阀门是限气阀和节流阀当中的一种。

11.权利要求9的气流控制系统，其中所说的阀门控制着从所说的供气管线流经所说的增湿器到所说的燃料电池组和流经所说的旁通管线到所说的燃烧室的气体的量。

12.权利要求9的气流控制系统，它进一步包括：

为产生气流信号的气流传感器，该气流信号是基于流经所说的增湿器、所说燃料电池组的所说的阴极流送管线以及所说的旁通管线这些装置当中的至少一种中的气流来产生的；以及

连接在所说的气流传感器和所说的阀门上的气流控制器，它基于所说的气流信号来控制所说的阀门。

13.一种供燃料电池用的气流控制系统，它包括：

供气管线；

增湿器，它包括连接在所说的供气管线上的入口和一个出口；

燃料电池组，它包括带有入口和出口的阴极流送管线，其中所说的阴极流送管线的入口是连接在所说增湿器的出口上；

燃烧室，它包括一个入口，它被连接到所说阴极流送管线的所说出口上；

阀门，它们于所说的供气管线和所说的增湿器的入口之间；以及

旁通管线，它的一端连接在所说的阀门上，相反的一端连接在所说的阴极供气管线的所说出口和所说的燃烧室的入口之间。

14.权利要求13的气流控制系统，其中所说的阀门是一种方向阀。

15.权利要求13的气流控制系统，其中所说的阀门控制着从所说的供气管线流经所说的增湿气到所说的燃料电池组以及经所说的旁通管线到所说的燃烧室的气体的量。

16.权利要求13的气流控制系统，它进一步包括：

为产生气流信号的气流传感器，该气流信号是基于流经所说的增湿器、所说的燃料电池组的所说阴极流送管线以及所说的旁通管线这些装置当中的至少一种的气流来产生的；以及

连接在所说的气流传感器和所说的阀门上的气流控制器，它基于所说的气流信号控制着所说的阀门。

17.一种用于燃料电池的气流控制系统，它包括：

供气管线；

增湿器，它包括一个连接到所说的供气管线上的入口和一个出口；

燃料电池组，它包括带有入口和出口的阴极流送管线，其中所说的阴极流送管线的所说入口被连接到所说增湿器的所说出口上；

燃烧室，它包括一个入口，连接到所说的阴极流送管线的出口上；

阀门，它位于所说的燃料电池组的所说出口和所说的燃烧室的所说入口之间；以及

旁通管线，它的一端连接在所说的供气管线和所说的增湿器的所说入口之间，相反的一端连接在所说的阀门上。

18.权利要求17的气流控制系统，其中所说的阀门是一种方向阀。

19.权利要求17的气流控制系统，其中所说的阀门控制着从所说的供气管线流经所说的增湿器到所说的燃料电池组以及流经所说的旁通管线到所说的燃烧室的气体的量。

20.权利要求17的气流控制系统，它进一步包括：

为产生气流信号的气流传感器，该气流信号是基于流经所说的增湿器、所说的燃料电池组的所说的阴极流送管线和所说的旁通管线中的至少一种装置中的气流来产生的；以及

连接在所说的气流传感器和所说的阀门上的气流控制器，它基于所说的气流信号来控制所说的阀门。

Images