CN1535487A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
配置燃料电池(11)，供气通道(12a、12b)和防冻剂通道(15)，该供气通道向燃料电池(11)输送发电用的气体，该防冻剂通道经隔膜(14)邻接供气通道(12a、12b)，该隔膜(14)选择性通过纯水，装在燃料电池(11)中或它的上游。可以利用在隔膜(14)上的防冻剂和供气之间的蒸汽分压差将水从防冻剂通道(15)输送到供气通道(12a、12b)，由此可以加湿供气。
Description
发明领域
本发明涉及车用燃料电池系统，具体涉及需要加湿的燃料电池。
发明背景
1997年由日本专利局公布的JP 9-7621A说明一种系统，在这种系统中，将液相的水直接加到燃料电池装置上，并通过多孔材料加湿流到燃料电池的气体。按照此方法，使气体在加湿区域的气体加湿板的一侧流动。该气体加湿区域包含多孔的碳质板，该板具有气密的边缘，而且使纯水在冷却燃料电池装置后在另一侧流动，使其对气体进行加湿，该纯水流动的压力稍高于在另一侧的气体压力。
发明概要
然而，在上述先有技术加湿系统中，如果考虑到绝缘特性，流向燃料电池的用于加湿的水必须是具有很低电导率的纯水。这种纯水在-20℃的很低温度时，很可能会结冰。另外，由于结冰的相位变化，纯水的体积也可能发生变化。这样便会损坏热交换器。
因此，本发明的目的是加湿送到燃料电池装置的气体，即使在冰点和很低的温度时也能加湿该气体，并使装置工作。
为了达到上述目的，本发明提供一种燃料电池系统，该系统包括：燃料电池；输送气体的供气通道，以使燃料电池发电；第一防冻剂通道，该通道经隔膜邻接供气通道，该隔膜可以选择性通过防冻剂中的纯水，该隔膜装在燃料电池的内部或装在燃料装置的上游，水利用在该隔膜上防冻剂蒸汽分压和供气的蒸汽分压之间的差别从第一防冻剂通道转移到供气中。由此可以加湿供气通道中的供气。
在下面的说明中说明本发明的细节及其它特征、优点。这些细节、特征及优点示于附图中。
附图的简要说明
图1示意示出本发明车用燃料电池系统(第一实施例)。
图2示出第一实施例的局部变型。
图3是本发明第二实施例的示意图。
图4是供气加湿控制流程序图。
图5示出第二实施例的局部变型。
图6是本发明第三实施例的示意图。
图7示出第三实施例的局部变型。
图8是本发明第四实施例的示意图。
图9示出第四实施例的局部变型。
优选实施例的说明
参考附图1，本发明的车用燃料电池系统的燃料电池装置11具有气体通道12a、12b和排气通道13a、13b。前者分别将重整气体和空气输送到阳极(燃料极)和阴极(空气极)，后者用于排放阳极排气和阴极排气。
可选择性使冷冻剂中的纯水透过的隔膜14形成在燃料电池装置11的上游。该隔膜14可以是例如离子交换膜。在隔膜14的一侧流过通向燃料电池装置11的供气，而在另一侧流过防冻剂，该防冻剂提供加湿供气的水。该防冻剂例如是长寿命的冷却剂(LLC)(水和聚乙烯醇的混合物)。与该隔膜14接触的气体是图1中的重整气体，但是与该隔膜14接触的气体也可以是流到阴极的空气。另外，该隔膜14也可以与重整气体和空气二者接触，当用氢气瓶向燃料电池装置输送纯氢气时，与该隔膜14接触的气体可以是纯氢气(对其它实施例也一样)。
循环冷冻剂的泵16、通过在冷冻剂和外面空气之间进行热交换而冷却冷冻剂的散热器(热交换器)17以及作为回收设备的回收桶18形成在冷冻剂通道15上。
在冷却燃料电池装置11之后，使防冻剂流向隔膜14，由于从燃料电池装置11接收到热量，所以流向隔膜14的防冻剂处于高温，并且达到一个温度，在此温度下蒸汽分压高于在隔膜14相反侧流动的供气蒸汽分压。因此，隔膜14可使纯水选择性地从处于蒸汽分压较高的防冻剂侧渗透到蒸汽分压较低的供气侧，所以可利用通过隔膜14的水加湿流向燃料电池装置的供气。
流过与隔膜14接触部分的防冻剂流向散热器17，该散热器与外面的空气进行热交换。在由散热器17冷却到排气的露点温度以下之后，冷冻剂流向回收桶18。因此，回收桶18充满防冻剂，该防冻剂的温度低于从燃料电池装置11流出的排出气体的露点温度。另外，除防冻剂外，从燃料电池装置11阴极出来的排气通道13b通向回收桶18。从燃料电池装置11排放的气体包含在发电期间作为副产品产生的大量水。
利用起泡法将排放气体引入到回收桶18中的防冻剂中。产生的空气泡的浮力造成空气的上升作用(在回收桶18中产生的对流)，由于这种空气的上升作用，包含在排气中的水和热量便由防冻剂收集。当防冻剂穿过隔膜14时，该防冻剂中的水份便降低，但是该水被回收到回收桶18中，所以在防冻剂中的水实际上保持恒定。这样即使没有安装辅助的供水装置例如纯水水桶，也可以达到水的平衡。
在散热器17的出口防冻剂的温度是最低的，所以可以将回收桶18的防冻剂温度降到排气露点温度以下，最有效的是在散热器17的出口附近安装回收桶18。在图1中，虽然送到燃料电池装置11的气体是在燃料电池装置11的紧前面被加湿，但是该隔膜可以装在燃料电池装置11的里面，如图2所示。因此送到燃料电池装置11的气体可以在燃料电池装置的内部被加湿。
下面说明第二实施例。
在第二实施例中，和第一实施例一样，该供气由用隔膜14从防冻剂中分离的纯水加湿，而且可以利用在回收桶18中的防冻剂回收排放气体中的水和热量。
图3是第二实施例的示意图。燃料电池装置11具有供气通道12a和12b，以及排气通道13a和13b，允许防冻剂中的纯水选择性通过的隔膜14形成在燃料电池装置11的上游，通向燃料电池装置11的供气在隔膜14的一侧流动，而防冻剂在另一侧流动。该防冻剂用于提供加湿供气的水。
循环冷冻剂的泵16、通过在外部空气和防冻剂之间进行热交换而冷却防冻剂的散热器17配置在防冻剂通道15内。散热器17通过调节冷却风扇17f的转速可以调节散热器17的散热量。回收桶18装在防冻剂通道15内，从燃料电池装置11的阴极出来的排气通道13b通向回收桶18。
在防冻剂通道15的燃料电池装置的出口和隔膜14之间配置温度控制装置39，例如加热器。测量流向隔膜14的防冻剂温度和流向隔膜14的供气温度的温度传感器41和42装在隔膜14接触防冻剂和供气的位置。温度传感器41、42以及温度控制装置39、泵16和散热器17均电连接于控制器40。该控制器40包括一个、两个或多个微处理器、存储器以及输入和输出界面，并执行下面说明的加湿控制。
图4是程序图，示出由控制器40执行的供气加湿控制的细节。这种控制以预定的时间间隔进行控制(例如10ms)。
在加湿控制中，首先用温度传感器41测量与隔膜14接触的流向燃料电池装置11的供气温度Tgs(程序步S1)，并计算供气的饱和蒸汽量Wsv(程序步S2)。
随后，计算防冻剂所需要的温度(防冻剂目标温度)tTaf，以便通过隔膜14输送对应于该饱和蒸汽量Wsv的水量(程序步S3)。在用温度传感器42测量防冻剂的温度Taf温度时，调节装在防冻剂通道15中的温度控制器39的加热量、泵16的流量以及散热器17的散热性能，使得防冻剂的温度Taf是防冻剂的目标温度tTaf(程序步S4)。
因为这样，与前面实施例相比，可以根据燃料电池装置11的操作状态精细地控制加湿程度，并可以充分地对供气进行加湿。
在图3中，虽然流向燃料电池装置11的供气是在燃料电池装置11的紧前面被加湿，但是隔膜14可以形成在燃料电池装置11的内部，因此可以在燃料电池装置11的内部加湿流到燃料电池11的气体，如图5所示。
下面说明第三实施例。
在第三实施例中，如前面的实施例一样，供气由利用隔膜14从防冻剂分离出的纯水加湿，在排气中的水份和热量可利用回收桶18中的防冻剂回收，而且可以根据供气的温度、与隔膜14接触的防冻剂的温度、泵16的循环量和散热器17的散热性能调节在防冻剂通道15中温度控制器39的加热量，由此控制防冻剂的温度。
图6是第三实施例的示意图。
燃料电池装置11具有供气通道12a、12b和排气通道13a、13b。可选择性使防冻剂中的纯水通过的隔膜14形成在燃料电池装置11的上游。流向燃料电池装置11的供气在隔膜14的一侧流动，而防冻剂在另一侧流动，该防冻剂用于提供加湿供气的水。
使防冻剂循环的泵16和在外面空气和冷冻剂之间进行热交换而冷却防冻剂的散热器17配置在防冻剂通道15内。该散热器17可以通过调节冷却风扇17f的转速调节放热量。该回收桶18配置在防冻剂通道15内，从燃料电池装置11阴极出来的排气通道通向回收桶18。
在防冻剂通道15的燃料电池装置出口和隔膜14之间安装温度控制装置39，例如加热器，测量流向隔膜14的防冻剂温度和流向隔膜14的供气温度的温度传感器41、42装在防冻剂和供气与隔膜14接触的位置。该温度传感器41、42、温度控制装置39、泵16和散热器17电连接于控制器40。
在防冻剂通道15的燃料电池装置11出口和温度控制装置39之间配置流量调节装置63，例如恒温器。绕过温度控制装置39和隔膜14的旁通通道64从流量调节装置63分出。该旁通通道64在泵16之前连接于防冻剂通道15。
由于上述结构，即使温度控制装置39需用防冻剂进一步保温，也只要将加湿供气所需的很小量防冻剂输送到隔膜14，而其余的防冻剂可以经旁通通道64直接流到散热器17而使其冷却。
因此为加湿供气用温度控制装置39向防冻剂输送的热量无疑很小，所以可以减轻温度控制装置39的负载。另外，还可以尽量减小必须用散热器57冷却的热量，因此提高了燃料电池系统的热效率。
在图6中，虽然在燃料电池装置11的紧前面加湿输送到燃料电池装置11的供气，但是也可以在燃料电池装置11的内部形成隔膜14，因此，可以在燃料电池装置11的内部进行加湿，如图7所示。
下面说明第四实施例。
在第四实施例中，和前面实施例一样，供气由利用隔膜14从防冻剂中分离出的水加湿，在排气中的水和热量可以利用在回收桶18中的防冻剂回收，可以根据与隔膜14接触的供气的温度和防冻剂的温度、泵16的循环量以及散热器17的散热性能调节在防冻剂通道15中温度控制装置39的加热量，由此可以控制防冻剂的温度。
图8是第四实施例的示意图。
燃料电池装置11具有供气通道12a、12b和排气通道13a、13b。允许防冻剂中的纯水选择性透过的隔膜14形成在燃料电池装置11的上游。流向燃料电池装置11的供气在隔膜14的一侧流动，而在另一侧流动防冻剂，该防冻剂用于提供加湿供气的水。
该燃料电池系统具有用于加湿供气的防冻剂通道15和用于冷却燃料电池装置11的防冻剂通道75(第二防冻剂通道)。循环防冻剂的泵16、在外部空气和防冻剂通道15内的防冻剂之间进行热交换而冷却防冻剂的散热器17以及回收桶18均装在防冻剂通道15内。排气通道13b连接于回收桶18，并将阴极的排放气体引入其中。循环防冻剂的泵79和在外部空气和第二防冻剂通道75中的防冻剂之间进行热交换，冷却防冻剂的散热器80均配置在第二防冻剂通道15上。散热器17、80可以通过调节冷却风扇17f的转速调节散热性能。
温度控制装置39例如加热器配置在防冻剂通道15的回收桶18和隔膜14之间。测量流向隔膜14防冻剂温度和流向隔膜14的供气温度的温度传感器41、42形成在防冻剂与供气接触该隔膜14的位置。该温度传感器41、42、温度控制装置39、泵16和散热器17均电连接于控制器40。
防冻剂通道15的防冻剂流向隔膜14。在隔膜14的与防冻剂通道相反的一侧流过流向燃料电池组件11的供气。利用控制器40可以控制流向隔膜14的防冻剂的温度。控制防冻剂温度的细节与图4所示的细节完全一样。
由于控制防冻剂的温度，所以隔膜14可选择性地允许纯水从蒸汽分压较高的防冻剂侧渗透到蒸汽分压较低的供气侧。并且可利用通过隔膜14从防冻剂中分离水加湿流向燃料电池装置的供气。
可利用散热器冷却流过隔膜14的防冻剂，该散热器可以与外部空气进行热交换，然后流到回收桶18，除引到防冻剂通道15的防冻剂而外，还将燃料电池装置11阴极引出的排气通道引到回收桶18。该排放气体包含大量在发电期间由燃料电池装置产生的作为副产品水。
当用散热器17冷却防冻剂时，可以将防冻剂冷却到低于流到回收桶18的排放气体的露点温度。因此，在回收桶18的内部充满防冻剂，该防冻剂的温度低于排气的露点温度。由于将排气通入到回收桶18的防冻剂中，所以产生排气气泡。产生的空气泡的浮力将引起空气上升作用，由于这种作用，包含在燃料电池装置排气中的水份和热量均可由防冻剂回收。因此在隔膜上失去水的防冻剂回收了水，这样可以达到燃料电池系统的水平衡，而不需要配置任何补充水的单独装置，例如纯水水桶。
在此实施例中，用于冷却燃料电池装置11的防冻剂通道75和用于加湿供气的防冻剂通道15是独立的。因此，可以单独控制循环流量和温度，并且可以单独控制燃料电池装置的冷却和加湿。
另外，还配置了热交换器86，该热交换器可以在防冻剂通道75上的燃料电池装置的出口和防冻剂通道15上的回收桶18的出口之间进行热交换。在该热交换器中，可以在冷却燃料电池装置11之后的在防冻剂通道75中的热防冻剂和通向隔膜14以便加湿供气的在防冻剂通道15中的防冻剂之间进行热交换。由于这种热交换，流向隔膜14的防冻剂温度增加，从而可以减轻温度控制装置39的加热负载。另外，可以降低送到散热器80的防冻剂温度，降低散热器17的热负载。
在图8中，虽然在燃料电池装置11的紧前面加湿流入燃料电池装置11的供气，但是可以在燃料电池装置11的内部形成隔膜14，所以可以在燃料电池装置11的内部加湿该供气，如图9所示。
在上述1~4实施例中，虽然可以采用离子交换膜作选择性允许防冻剂中的纯水通过的隔膜14，但是可以用任何部件作隔膜，只要它具有完全相同的功能。
另外，虽然采用长寿命的冷却剂做防冻剂，但是可以用任何混合液体作防冻剂，只要它在很低的温度下不冷冻，并可以用上述隔膜分离出纯水，即只要它是一种具有分子大小的混合液体，使得它能够利用上述隔膜而与纯水分离。
日本专利申请P2001-368355(2001年12月3日归档)的整个内容作为参考包含在本文中。
虽然已参考本发明的某些实施例说明本发明，但是本发明不限于上述实施例，技术人员通过上述说明可以想出上述实施例的各种改型和变化。本发明的范围由以下权利要求书确定。
应用的工业领域
本发明适用于各种燃料电池系统，包括车载燃料电池系统。按照本发明，可以利用防冻剂中通过隔膜的水加湿流过燃料电池的用于发电的气体，不需要用纯水来作加湿水，在燃料电池系统中的液相仅是防冻剂，所以在系统中水不会结冰，即使在很低的冰点温度以下(包括-50℃)，也可以加湿供气，并启动燃料电池系统。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池(11)；
供气通道(12a、12b)，该通道向燃料电池(11)提供用于发电的气体；
第一冷冻剂通道(15)，经隔膜(14)邻接供气通道(12a、12b)，该隔膜可选择性通过防冻剂中的纯水，该隔膜(14)装在燃料电池(11)的内部或者燃料电池(11)的上游；
其特征在于，利用在隔膜(14)上防冻剂的蒸汽分压(steampartial pressure)和供气的蒸汽分压的差别，水可以从第一冷冻剂通道(15)传送到供气通道(12a、12b)内，由此可以加湿在供气通道(12a、12b)中的供气。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在第一防冻剂通道(15)内配置回收(recovery)装置(18)，该回收装置温度可调节到低于从燃料电池(11)排出的排气的露点温度，而且排气中的水和热量可以利用穿过该回收装置(18)的排气回收到第一防冻剂通道(15)中。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，该回收装置(18)中充满温度低于排气露点温度的防冻剂，排气中的水和热量可利用气泡回收，回收的水和热量加入到防冻剂中。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括温度控制装置(39)，该温度控制装置可以调节防冻剂的温度，使得防冻剂的蒸汽分压高于供气的蒸汽分压。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
检测供气温度的传感器(41)；
控制器(40)，该控制器的作用是根据检测的供气温度计算防冻剂的目标温度，并利用温度控制器(39)调节防冻剂的温度，使得防冻剂的温度达到防冻剂目标温度。
6.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括：
绕过第一防冻剂通道(15)中隔膜(14)的旁通通道(64)；
流量调节装置(63)，该调节装置按照防冻剂温度调节旁通通道(64)的流量。
7.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括用于冷却燃料电池(11)的第二防冻剂通道(75)，该通道独立于第一冷冻剂通道(15)。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，在第一防冻剂通道(15)的回收装置(18)的下游还配置加热器(86)，该加热器可在第二冷冻剂通道(75)中的冷却燃料电池(11)之后的冷冻剂和在第一冷冻剂通道(15)中的位于隔膜(14)上游的冷冻剂之间进行热交换。
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