CN1543684A - 运转燃料电池的方法及供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运转燃料电池的方法和一种供电系统，可以抑制阻碍空气通道的水汽的凝结，同时不需要任何复杂的系统构造。这种运转燃料电池的方法，其目的是通过提供空气和燃料气体至燃料电池而由该燃料电池产生电动势，该方法的特征在于包括控制空气的供应量同时监控排放空气相对湿度的步骤。更具体地说，控制空气供应量的步骤将使得排放空气的相对湿度等于或低于某一个特定的湿度值。作为电源的供电系统，包括具有空气供应单元、空气排放单元和燃料气体供应单元的燃料电池，该供电系统的特征在于包括布置在空气排放单元上的湿度传感器和基于湿度传感器提供的信息来控制该空气供应单元中的空气供应量的控制机构。

Description

运转燃料电池的方法及供电系统

技术领域

本发明涉及一种运转燃料电池的方法，其目的在于通过氧气和燃料气体(例如氢气)发生化学反应来产生电动势，且涉及一种包括作为电源的该燃料电池的供电系统。

背景技术

燃料电池适合于通过以提供至反应器的氢气为代表的燃料气体和氧气(空气)发生化学反应从反应器中产生电动势。通常，每个燃料电池都有这样一个构造，即电解质薄膜(质子导电薄膜)位于气体电极之间，通过发生在其中的化学反应来产生预期的电动势。这种燃料电池被期望能够应用于电动汽车或混合型车辆中，进一步讲，已经开展研究来提高燃料电池的性能，以使燃料电池能够适合应用在其他新的场合，而不仅仅是被装备到车辆上；例如，利用燃料电池和传统干电池与可充电电池相比在重量和尺寸方面易于减小的优势，燃料电池可以放置在便携式设备中，进而应用在便携式应用场合。

在每个燃料电池当中，当氢气和氧气发生化学反应时，水汽通常在阴极部位产生。这样产生的水汽可能会凝结成液体，且该液体通常会溢出到氧气通道中，阻碍氧气的扩散，从而抑制了有效的反应，这将导致每个燃料电池输出的电力减少。

在燃料电池中的水汽除了氢气和氧气之间的化学反应产生的水汽之外，还可能包括：包含在潮湿的氢气一侧的气体中，然后通过与质子在一起的电解质薄膜渗透到阴极的水汽；原先包含在吸入的空气中的水汽；初始在流动通道中以露水形式凝结的水汽。为了避免燃料电池电力输出的减少，需要排放掉上述各种堵塞空气通道的水汽；然而，通常需要一个较大尺寸的系统来检测所有的这些种水汽和最佳地控制这些水汽的排放，因此，期望通过一种小尺寸、价格低廉的系统来实现各种水汽的检测和最优化地控制水汽的排放。

为解决上述问题提出了本发明，本发明的目的是提供一种运转燃料电池的方法，其能够抑制导致空气通道堵塞的水汽凝结，同时不需要复杂的系统构造，并提供一种使用该燃料电池的供电系统。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种通过提供空气和燃料气体至燃料电池来产生电动势的运转燃料电池的方法。本方法的特征在于包括监控排放气体的相对湿度和控制空气的供应量的步骤。本发明还提供了一种作为电源的供电系统，其包括具有空气供应单元的燃料电池，空气排放单元和燃料气体供应单元。该供电系统特征在于包括一个置于空气排放单元上的湿度传感器和一个根据湿度传感器提供的数据来控制空气供应单元中供气量的控制机构。

在燃料电池中，根据燃料电池的不同情况，可能在其内部由于各种情况而产生不同数量的水汽。进一步讲，随着取决于燃料电池的环境和/或运行条件的燃料电池的温度的变化，饱和水蒸汽压强可能会显著地不同。但是，即使在任何一种情况下，燃料电池中的水蒸汽的凝结状态都可以通过监控燃料电池某一温度下的相对湿度来估计。同时，燃料电池的排放空气的温度和排放空气的相对湿度都分别和燃料电池内的温度和湿度相对应。因此，可以通过监控燃料电池中排放空气的温度和排放空气的相对湿度来估计燃料电池中的水汽凝结的时刻，且根据监控的结果可以调节空气的供应量，从而抑制潮气的凝结，使得排放空气的湿度可以保持一定的数值大小或更少一些。

附图说明

图1为燃料电池基本结构示例的分解透视图；

图2为燃料电池中的电极结构示例的示意剖视图；

图3为使用本发明的燃料电池运转系统示例的典型示意图。

具体实施方式

下面将参照附图具体描述使用本发明的燃料电池运转的方法和供电系统。

首先将描述作为燃料电池的一个基本单元的燃料电池的一个基本构造和电动势产生机构。图1为燃料电池的一个构造示例。如图1所示，燃料电池是这样构造的：一个燃料电极1通过一个电解质3叠加在空气电极2上，用以组成一个装配部件，并且将此装配部件置于两个集电器4中间。应该注意的是，以氢气为代表的燃料气体和燃料电极1相接触，空气(氧气)和空气电极2相接触。集电器4由一种具有优良电流收集性能的材料制成，该材料在氧化性水汽的环境中仍然可以保持优良的稳定性能。集电器4的优选材料是高密度的石墨。朝向燃料电极1的集电器4的表面具有在水平方向延伸的沟槽4a，氢气通过沟槽4a来提供，而朝向空气电极2的集电器4的表面具有在竖直方向延伸的沟槽4b，空气通过沟槽4b来提供。

如图2所示，燃料电极1和空气电极2的中间间隔布置电解质3。燃料电极1由气体扩散电极1a和催化剂涂层1b组成，空气电极2由气体扩散电极2a和催化剂涂层2b组成。气体扩散电极1a和2a都由多孔材料组成，催化剂涂层2a和2b都由电解质和碳颗粒的混合物组成，且在上述催化剂涂层中放置铂等电极催化剂。

多个上述的燃料电池作为基本单元彼此堆叠，以形成一个燃料电池。这些燃料电池串联连接输出一个特定的电压。

在具有上述结构的燃料电池中，当氢气流经在集电器4中形成的沟槽4a以和燃料电极1相接触，且同时空气(氧气)流经在集电器4中形成的沟槽4b以和空气电极2相接触时，在每个燃料电极1的侧边和空气电极2的侧边上发生了反应。

在燃料电极1的侧边上的反应可以用以下反应式来表示：

                       

在空气电极2的侧边上的反应可以用以下反应式来表示：

                   

在整个燃料电池中的反应可以表示为：

                      

如上述的反应式可知，氢气通过在燃料电极1处释放电子变成了质子，该质子通过电解质3迁移到空气电极2处，并与空气电极2处的电子和氧气发生反应。电化学反应的结果是产生了电动势。

图3是由具有上述构造的燃料电池组成的运转燃料电池的系统的示例图。如图所示，将空气从空气供应单元(例如一个空气泵11)输送到燃料电池10的空气电极处，且将以氢气为代表的燃料气体从燃料气体供应单元(例如氢气储藏罐12)输送到燃料电池10的燃料电极。

上述的燃料电池运转系统包括一个充当控制机构的CPU 13，用来执行各种控制。例如，用来提供空气的空气泵11就由CPU 13来控制，该空气泵11用来产生压缩空气且将压缩空气提供给空气通道14，以为阴极电极(燃料电极)处的反应提供所需的氧气。也就是说，施加到空气泵11上的控制电压由CPU 13来控制。更具体的说，控制电压由CPU 13通过一个D/A转换器15来输出。然后，该控制电压提供给空气泵11的驱动放大器16用来控制由空气泵11供应的空气量。

另一方面，用来监控排放气体相对湿度的湿度传感器17安装在和空气通道14的端部相连的空气排放单元上。已用来发生反应的空气从空气排放单元中排出。湿度传感器17的输出电压经过A/D转换器18进行了A/D转换，转换后的电压提供给CPU 13。用来检测在载荷19中流动的输出电流的电流检测单元20是为燃料电池10而设置的，检测到的电流值经由A/D转换器21进行A/D转换，转换后的电流值输入到CPU 13中。

具有上述构造的燃料电池运转系统是一个全新的系统，且不需要任何复杂的系统构造，即该系统简单、小尺寸和价格低廉，包括用于检测产生在燃料电池中的水汽状态和控制产生的水汽排放的装置和单元。如上所述，在每个燃料电池中，水汽主要由阴极电极处的氧气和氢气之间的化学反应所产生。水汽可能凝结成液体，液体进而会溢出到氧气通道中，阻碍氧气的扩散，因此抑制了有效的反应。这就会导致每个燃料电池电力输出的减少。为了解决这个问题，本发明中的系统通常会使水汽保持汽化状态并将该汽化状态的水汽排放电池的外部。以下将描述运转燃料电池的过程。

首先，为了提供和输出电流成比例的一定的氧气量到燃料电池10中，，需要提供至少某一流率的空气到燃料电池10中，其与上述的氧气量相对应。为了这个目的，通过载荷19的输出电流的数值I可以由电流测量装置20检测到，同时经由A/D转换器21进行A/D转换，之后提供给CPU 13。CPU 13产生一个控制电压V₀(由以下公式表示)使得到与输出电流相对应的空气流。

                    V₀＝K₁×I(K₁：特定系数)

然后，利用由上述空气泵11产生的空气流来汽化和排放掉阻碍空气通道的水汽。这里，燃料电池中水汽的种类包括：氢气和氧气之间化学反应产生的水汽，包含在潮湿的氢气一侧的气体中且通过和质子在一起的电解质薄膜渗透到阴极的水汽；原先包含在吸入的空气中的水汽；初始在流动通道中以露水形式凝结的水汽。为了检测所有的这些种类的水汽，并且最优控制水汽的排放，通常需要一个规模较大的系统。换句话说，使用一个小尺寸、价格低廉的系统很难检测到所有这些种类的水汽并最优控制这些水汽的排放。

考虑到如前所述的问题，本发明试图将各种水汽作为一个整体来检测并最优控制这些水汽的排放，这可通过监控排放空气的相对湿度和根据监控结果来估计燃料电池中的水汽总量来实现。原因将描述如下。当燃料电池中的空气流处于固液两相平衡状态时，水汽被汽化，直到气态的水汽达到饱和水蒸汽量，此时排放空气的相对湿度会增加。另一方面，当燃料电池中的水汽数量很少时，水蒸气的数量几乎等于吸入的水蒸气的数量。如上所述，在燃料电池中，根据燃料电池的不同情况，由于各种原因而可能产生的水汽的量会随之变化。而且，随着取决于环境和/或运行条件的燃料电池的温度的变化，饱和水蒸汽压强也可能会显著地不同。然而，在任何条件下，燃料电池中水蒸汽的凝结状态都可以通过监控燃料电池中某一温度下的相对湿度来估计得到。

因为位于燃料电池排放口处的排放空气的温度和排放空气的相对湿度各自都较好地和燃料电池中的温度和湿度相对应，燃料电池中的状态可以通过监控排放空气的温度和排放空气的相对湿度来估计得到。例如，当排放空气的相对湿度接近100％时，可以判断燃料电池中的水汽凝结将要开始。通过这种方式，燃料电池内水汽凝结的时刻可以通过监控排放空气的相对湿度Rh来检测，且因此，水汽的凝结也可以通过调整空气泵11提供的空气量来进行抑制，以使得排放空气的湿度保持在一个确定的数值，或低于这个数值。

实际中，与空气的供应量成比例且将施加到空气泵11的控制电压V(如下公式表示)由CPU 13计算得出，以使该电压和由湿度传感器17检测到的排放空气相对湿度Rh联系起来。

                V＝K₂×Rh+V₀(K₂：特定系数)

相应地，当排放空气的相对湿度Rh增加时，控制电压V就会被调整以增加空气的供应量，并提供给驱动放大器16，，因而使得排放空气的相对湿度保持在一个恒定的数值大小。

例如，在较低温度时，如10℃或更低温度时，因为此时饱和水蒸气压强较低，水汽的蒸发不活跃，即使增加空气的供应量，水汽的蒸发也仍然很少；然而，在通常的运行温度范围，如50-80℃时，控制空气的供应量就会产生极大的作用，因而可以有效地防止空气通道被水汽所堵塞，进而实现了系统的安全运转，同时避免了电力输出的减少。

尽管本发明中运转燃料电池的方法和供电系统都作了描述，本发明不限于如上所述的实施例。例如，本发明也适应于这样一种类型的系统：在该系统中，除湿器布置在氢气供应一侧以对氢气进行除湿处理，同时控制经过除湿处理的氢气的数量。

根据本发明的上述描述是显而易见的，不需要任何复杂的系统构造就可以抑制水汽的凝结堵塞空气通道，也就是说，只需要一个很小的传感器和一个简单的系统构造，就低成本地实现小尺寸的燃料电池运转系统和小尺寸的供电系统。进一步讲，使用这样一个燃料电池运转系统，供电单元可以安全地运行，而不减少电力输出。

Claims (11)

1.一种运转燃料电池的方法，通过提供空气和燃料气体至燃料电池而由该燃料电池产生电动势，该方法包括以下步骤：

监控排放空气的相对湿度；和

控制空气的供应量。

2.如权利要求1所述的运转燃料电池的方法，其中，执行所述控制空气供应量的步骤，以使得排放空气的相对湿度等于或低于某一个特定的湿度值。

3.如权利要求1所述的运转燃料电池的方法，其中，执行所述的控制空气供应量的步骤，以使得在排放空气的相对湿度很高时，空气的供应量变大。

4.如权利要求1所述的运转燃料电池的方法，还包括对燃料气体进行除湿处理、并将除湿处理后的燃料气体提供给燃料电池的步骤。

5.如权利要求1所述的运转燃料电池的方法，所述的燃料气体为氢气。

6.一种作为电源的供电系统，包括具有空气供应单元、空气排放单元和燃料气体供应单元的燃料电池，所述的供电系统包括：

置于所述空气排放单元上的湿度传感器；和

基于所述湿度传感器提供的信息来控制该空气供应单元中的空气供应量的控制机构。

7.如权利要求6所述的供电系统，其中，所述的空气供应单元包括一个用来供应空气的泵。

8.如权利要求7所述的供电系统，其中，施加到所述泵的控制电压基于所述湿度传感器提供的信息从所述的控制机构中输出。

9.如权利要求7所述的供电系统，还包括：

用来检测所述燃料电池输出电流的电流检测单元；

其中，施加到所述泵的控制电压基于由电流检测单元检测到的输出电流值从所述控制机构中输出。

10.如权利要求6所述的供电系统，还包括：

一个用来对将提供给所述燃料电池的燃料气体进行除湿处理的除湿器，并且该除湿器将控制除湿处理后的燃料气体的数量，所述的除湿器置于所述的燃料气体供应单元上。

11.如权利要求6所述的供电系统，其中，将要从所述的燃料气体供应单元中提供的燃料气体是氢气。

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