CN1572038A - 用于燃料电池的综合系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于燃料电池的综合系统，该综合系统包括燃料电池内污染物，噪声，温度与水分的控制部件。该综合系统将污染物控制，噪声控制和水管理结合于一身。污染物控制系统对吸入空气进行过滤，从而向燃料电池提供氧气；被滤去的杂质包括：亚微米级颗粒，盐类，油类和其它化学物质。噪声控制系统将发自系统内用于传输空气的压缩机所发出的噪声通过衰减，谐振，或进行消声而达到降低噪目的。污染物控制系统提供压缩机出气口对空气过滤，提供安全有保证的空气，减少润色的滑油进入燃料电池的机会。水管理系统除去空气中过量的液态水。这些系统以各种构型整合在一起，为燃料电池提供一种结构紧凑充分的保护。

Description

用于燃料电池的综合系统及其方法
本专利申请以Donaldson公司的名义(这是一家美国国家公司)于2002年9月11日在美国之外所有其他国家以国际专利申请提交。
发明领域
本发明关于用于燃料电池的综合系统，它包括控制污染物，噪声，水分之类的部件。具体是关于从吸入燃料电池内的空气中排除污染物的过滤装置连同低降噪装置一起的各种系统，以及关于改进燃料电池排气装置的系统。
发明背景
尽管燃料电池系统也许在将来是一种常用的能源，但它仍存在许多问题。燃料电池系统，它包括燃料电池(或燃料电池组)，氧气源，燃料源，这是一种燃料电池必须处在高效条件下，功许得在最佳操作条件下运作的恰当的设备，其中许多特性尚未被充分理解。也就是说，什么是燃料电池的最佳构型尚未弄明白。
燃料电池的寿命，耐久性及其操作性能在很大程度上受燃料电池正极端所用氧气源空气的质量的影响。存在于大气或周围环境空气中的许多污染物对燃料电池的工作有害。正极催化剂和电解质也因空气中存在亚微米级颗粒，硫化学物质，挥发性有机化学物质(VOC)，盐类以及氮氢化学物质等污染物而招致暂时性或永久性的中毒或破坏。大气中污染物的浓度与种类随地点，一天中的时段，以及季节而变。通常，消除这些污染物超出了诸如内燃机和燃气轮机一类发电厂所采用的空气污染物控制系统(例如颗粒过滤装置)的能力范围之外。因此，为了提高燃料电池的性能，延长其寿命与耐久性，燃料电池至少应包括某种形式的控制污染物装置。
燃料电池内进行的催化反应是无声的过程。在该过程中，正极的反应，氢气的燃烧，以及能量的产生是不会发出人类感觉到的声音。虽然，燃料电池的过程是静音的，但它的整个系统通常要用到压缩机/膨胀机，鼓风机或其它空气传输装置。或在稍高于大气压的压力下使空气流过燃料电池正极或对正极室内空气增压，不管这那一种情况，空气传输装置都会发出令人不快的具有一定声压水平的噪声。此外，已知有些压缩机也会泄漏润滑油，进而损坏燃料电池。
进入燃料电池内氧气的水分也会影响燃料电池性能。空气气流中的颗粒污染物会引发水蒸汽随空气的压缩而冷凝。为了提高燃料电池性能，进入燃料电池系统内的空气含水率应当受到控制。
如前概述，一个燃料电池系统的合适性能有许多与之相关的问题。在许多场合下，燃料电池系统装置的各部件包括外壳，管路和固定件都还需要改进。
发明概述
本发明提供使用燃料电池的综合系统，该综合系统包括燃料电池内污染物，噪声，温度与水分控制的各个部件。本发明特别是涉及将污染物控制，噪声控制和水管理结合于一身的各种各样装置。
污染物控制系统是为燃料电池正极提供氧气而吸入的空气提供过滤。要滤除的物质包括亚微米级颗粒，盐类，油类和化学物质。噪声控制系统则提供燃料电池系统内噪声的宽频衰减。该噪声控制系统包括谐振腔，声波节气门(sonic choke)，强力节气门(full choke)，吸音材料等，使通过本系统的噪声衰减或以其他方式降低至少1米内3分贝，更佳提供6分贝。污染物控制系统在压缩机出气口对空气过滤提供安全有保证的空气，减少润滑油进入燃料电池的机会。温度控制系统根据要求通过加入或除去热量来控制系统温度。水管理系统则除去空气中过量的液态水分。上述这些系统以各种构型整合一起为燃料电池提供一种结构紧凑充分的保护。
在一种特定构型中，上述各系统按前端组合，消声热交换组合，后端组合，以及气体排放组合进行排列。正极空气污染物对PEM燃料电池性能的影响也有叙述。影响燃料电池性能与可靠性的污染物，连同颗粒、油类、盐类和化学物质的高效过滤技术以及降噪技术都纳入了各种组合装置的开发。
本发明特别针对具有多重组合装置的燃料电池系统。该系统包括一个具有空气入气口燃料电池，具有空气入气口与出气口的空气传输装置。空气传输装置的出气口较好连接至燃料电池的入气口。第一组合装置就位于空气传输装置的前端，而第二组合装置就位于空气传输装置的后面。第一与第二组合装置包括污染物控制系统，噪声控制系统，温度控制系统，以及水管理系统中的至少两个系统。在一个实施方式中，第一组合装置包括污染物控制系统和噪声控制系统。该污染物控制系统可以包括颗粒过滤器和化学物质过滤器。燃料电池系统也可有第三组合装置。
本发明还涉及使用于燃料电池系统的综合装置，该系统包括会发出噪声的空气传输装置。该综合装置由具有空气入气口和出气口的外壳、至少把噪声降低3分贝的噪声控制系统及温度控制系统构成。噪声控制系统与温度控制系统均置于外壳之内。温度控制系统可以是一只热交换器。
附图简要说明
图1为本发明燃料电池综合系统的示意图
图2为图1燃料电池综合系统各部分的分部横截面详图，图2具体示出了前端组合装置，后端综合装置和排气组合装置。
图3为图1燃料电池综合系统另一部分的等角视图，图3具体示出了消声热交换组合装置。
图4为第二个实施方式的消声热交换组合装置的横截面图。
图5为置于空气压缩机后端的颗粒过滤器中收集到的污染物的扫描电子显微镜照片。
图6为图5中过滤器收集到的污染物的光谱分析结果图。
图7为空气气流中有颗粒过滤器时，它对燃料电池有益作用的示图。
图8为第一组条件下SO2对PEM燃料电池性能影响的图。
图9为第二组条件下SO2对PEM燃料电池性能影响的图。
图10为第三组条件下SO2对PEM燃料电池性能影响的图。
详细说明
所有这些图中，相同数字代表相同部件。图1显示一个燃料电池系统10，该燃料电池系统10包括燃料电池15，第一压缩机50和位于燃料电池15空气流前端的第二压缩机50′，位于燃料电池15空气流后端的膨胀机55。
虽然这里注明的是压缩机50，50′和膨胀机55，但应该理解任何形式的空气传输装置，诸如压缩机，膨胀机，涡轮增压机，鼓风机或其它空气传输装置都可用于将空气送入燃料电池15内。如前所述，通常空气传输装置都能发出令人不快的噪声。
燃料电池系统10包括前端组合装置100，消声热交换组合装置150，后端组合装置200，以及排气组合装置300。这里采用的术语“前端”与“后端”，例如是指在燃料电池15前面的空气传输装置，诸如压缩机50这里的“组合”是指在一个装置中具有多个系统，诸如污染物控制系统，噪声控制系统，温度控制系统或水管理系统。最好该装置装在一个单独外壳内，尽管在某些实施方式中，两个或两个以上外壳可连成一个独立的外壳。如上所述，空气传输装置可以是压缩机，膨胀机涡轮增压机，鼓风机，或任何诸如此类的机器。
正如图1所示，前端组合装置100可以包括颗粒过滤器，化学物质(通常为含碳材料)过滤器，以及降噪装置。这类前端过滤组合装置100在美国专利申请09/832,715(2001年4月11日提交)和09/879,441(2001年6月12日提交)有过讨论，这里全文参考结合之。通常前端组合装置的各个部件(如颗粒过滤器，化学物质过滤器，以及降噪装置)装在同一个外壳内，但是在某些实施方式中，其中一个或几个部件处在各自外壳或装置内。试看图2，它详示了一种较佳前端组合装置100。
在图2中，前端组合装置100包括两个串连的部分，即在外壳105a之内的第一个部分，它具有污染物控制系统和噪声控制系统；在外壳105b之内的第二个部分，它具有噪声控制系统。该组合装置100有一个入气口102和一个出气口104。通常的大气或周围环境的空气从入气口102进入外壳105a。空气该过污染物控制系统或过滤系统110，它包括颗粒或其它夹杂污染物去除系统和化学物质污染物去除系统。在所示实施方式中，过滤系统110包括化学物质过滤元件112和颗粒过滤元件114，前者包含第一过滤元件112a和第二过滤元件112b。
化学物质过滤元件112通过吸收或吸附除去空气中的污染物。这里所用的术语“吸附”“吸附剂”等词还包含了吸附与吸收的机理。
化学物质污染物去除系统中通常有物理吸附剂或化学吸附剂，诸如干燥剂(即吸附或吸收水或水蒸气的材料)。或吸附或吸收挥发性有机化学物质和/或酸性气体和/或碱性气体的材料。诸如“吸附剂材料”，“吸附材料”，“可吸附材料”，“吸收剂材料”，“吸收材料”，“可吸收材料”以及各种变通词，均包括通过吸附或吸收除去化学物质污染物的各种材料。合适的吸附剂材料包括活性碳(包括碳纤维，浸渍碳)，活性氧化铝，分子筛，离子交换树脂，离子交换纤维，硅胶和二氧化硅。这些材料可以与诸如高锰酸钾，碳酸钙，碳酸钾，碳酸钠，硫酸钙，柠檬酸，磷酸，其它酸性材料或它们的混合物组合、涂覆、浸渍使用。在某些实施方式中，吸附剂材料可以与第二种材料组合或浸渍使用之。
吸附剂材料通常包括粒状材料，可以有各种各样形态。例如：颗粒状，珠粒状，纤维状，细粉状，纳米颗粒，纳米管，气溶胶，或者可以涂覆在诸如陶瓷小球，整体结构，纸介质，或金属表面等基质材料上。吸附剂材料，特别是颗粒状材料可以制成料床形式，也可以制成单块的形式，诸如较大的片状、颗粒状、珠粒、可打褶或蜂窝的结构，它们可进一步成形。至少在一些情况下，成形的吸附剂材料在过滤器组合装置的正常使用或预测寿命中保持其形状。成形的吸附剂材料可以是由自由流动的颗粒与固体或液体粘结剂粘结成非自由流动性的制品。例如，成形的吸附剂材料可以通过注射模制，压制或挤压工艺制成。美国专利No.5,189,092(Koslow)和5,331,037(Koslow)有关于此类成形的吸附剂制品的介绍，这里全文参考结合之。
在图2所示的实施方式中，过滤元件112a，112b是由活性碳挤压制成的中空圆柱体。
颗粒过滤器114能除去诸如尘埃，灰尘，烟尘，烟雾，柴油颗粒，花粉，昆虫，木片，锯粉，金属屑，宇宙粒子之类机械性颗粒夹杂物。通常，颗粒过滤器含有过滤介质，诸如能脱除颗粒的纤维素材料的织物等。过滤元件114中采用的过滤介质各不相同，取决于所要求的去除颗粒的效率，通过过滤器114可接受的最大压差，以及其它此类因素。可以通过任何一种方法对过滤器介质进行处理，用以提高去除微粒的效率，例如采用经静电处理过的介质，这些介质如纤维素或合成介质或它们的混合物。它们具有一层或多层的纳米纤维层，或本领域技术人员所知的其它类型介质。关于可以使用的纳米纤维，可以参阅美国专利No.4,650,506(Barris等人)所述的内容，这里全文参考结合之。
在一些较佳实施方式中，颗粒过滤元件包含纤维素过滤介质，它沿中心轴缠绕形成过滤元件的形状。过滤元件包括密封系统，将过滤器114密封在外壳105a内，如美国专利US Pat.No.4,720,292所公开的一种密封系统。所谓“密封”一词是指密封系统60在正常条件下，能阻止空气无意穿越过滤元件114的外表面与外壳105a内壁之间的区域；也即，密封系统能禁止空气不经过过滤元件114的过滤介质，而从旁路流动。
在某些较佳实施方式中，过滤器114设计成直通型的。所谓“直通型”一词是指过滤器114的结构是具有第一流过面(相应于入气口)和与之相对的第二流过面(相应于出气口)。之所以要求直通型往往是因为直通型过滤器与例如打褶式过滤器相比，空气流量更大。“直通型”与“直列式流通”之间并无区别。空气沿一个方向进入第一流过面，且沿同一方向从第二流过面流出。美国专利申请09/832,715和09/879,441中叙述了其它类型的化学物质过滤器112和颗粒过滤器114。
经过污染物控制系统(如过滤器112，114)的空气开始进入前端组合装置100内的噪声控制系统。具体地说，空气进入内装有降噪装置130的外壳105b，该降噪装置包括第一谐振腔132和第二谐振腔134。每个谐振腔132，134都有许多孔，孔的大小与排布均经严格工程计算，按照所用声音波长使其引起共振而设计。降噪装置130还包括一个声波节气门135。
降噪装置130能降低或抑止来自压缩机50，50′和膨胀机55任何一种机器所发出的噪声水平。降噪水平较佳在一米内为3分贝，通常至少6分贝，更佳至少10分贝，最佳至少25分贝。降噪装置130通过声音衰减降低来自从压缩机50到前端组合装置100发出并进入周围环境的噪声。
发自诸如压缩机50等设备的声音会沿燃料电池15，压缩机50，以及其它如前端组合装置100，消声热交换组合装置150，后端组合装置200和排气组合装置300所允许的任何方向传播。也即声音逆空气流动方向，从压缩机50到前端组合装置向前传播，并传播到消声热交换组合装置150。发自压缩机50′和膨胀机55的声音以类似方式向前向后传播。
降噪装置130可以包含任何类型的元件，它连同前端组合装置100的其它特征一起衰减或降低噪声至少3分贝，通常至少6分贝，更佳至少10分贝，最佳至少25分贝。合适的降噪元件包括消声器，有内衬的管道，声障，声道内弯管等，压力通风系统，膨胀室，谐振腔，声波节气门，强力节气门，吸音材料，以及它们的各种组合。如前所示，图2所示实施方式的降噪装置130具有第一谐振腔132，第二谐振腔134和声波节气门135。
降噪装置130置于外壳105b内。外壳105b的外壁和任何其它结构较好为具有最小表面积的扁平状，或更好，表面最好呈弯曲状，可以降低扁平状表面常遇到的振动或抖动声。
美国专利申请09/832,715和09/879,441叙述了包括谐振腔132，134，声波节气门135和其它声音谐振器或衰减器的降噪装置130的其它构型。
经过污染物控制系统和噪声控制系统后的空气，经由出气口104离开前端组合装置100，进入压缩机50。空气经入气口52进入压缩机50，再经出气口54离开压缩机50。如前所述，压缩机50可为任何合适的空气传输装置。离开压缩机50的空气进入消声热交换组合装置150。该组合装置150也称之为“中间冷却组合装合”。该装置具有一个热交换器(或称冷却器)，它置于压缩机50与50′之间。如果没有压缩机50′，则将组合装置150置于压缩机50的后端，可称之为“后端冷却组合装置”。图3所示为消声热交换组合装置150的一个较佳实施方式。
之所以称之为消声热交换组合装置150，是由于它将噪声控制系统与温度控制系统一起整合在外壳155内。外壳155具有入气口152与出气口154，该组合装置经由入气口152接受来自压缩机50的空气。入气口152连至降噪元件160，其上有许多孔洞用来衰减声音。该组合装置150也包括第二降噪元件165。降噪元件160和165能将声音降低或衰减至少3分贝，通常至少6分贝，更佳至少10分贝，最佳至少25分贝。外壳155也能降低通过组合装置150的声音水平。外壳155呈圆筒状，它具有夹在第一圆形端面157和第二圆形端面158之间的外壁156。壁面156与端面157，158呈弯曲状，用以降低振动与抖动声。
位于降噪元件160，165之间的是热交换器170。此热交换器通过由入水口172进入热交换器170的冷却水除去热量，对流经组合装置150的空气进行冷却。热水从冷却水出水口174流出。经由入气口152进入组合装置150的空气由于经压缩机50压缩而温度升高，所以需要冷却。
图4所示为第二实施方式中的消声热交换组合装置150′。消声热交换组合装置150′包括一个污染物控制系统。
类似于图3的组合装置150，组合装置150′具有外壳室155′，它的入气口为152′，出气口为154′。外壳155′具有第一端面157′和与之相对的第二端面158′。第一端面157′包括可拆卸的法兰盖159，它的用途下在将述。来自压缩机50的空气经入气口152′进入组合装置150′中的过滤元件180。过滤元件180过滤元件是个颗粒过滤元件，较好由PTFE材料制成。通常包括打了孔的内衬，用来的为打褶介质提供支撑和稳定性，同时保证空气流通。在某些实施方式中，该开孔最好还能衰减声音或使声音共振。正如前提到的，第一端面157有法兰159，在根据需要更换过滤元件180时，它能提供取出过滤元件180的通道。
空气经过滤后由过滤元件180进入热交换器170′(它有冷却水的入水口172′与出水口174)，空气得到冷却。经冷却的空气进入谐振腔165，然后经出气口154′流出。
离开消声热交换组合装置150，150′的空气通过第二压缩机50′进入后端组合装置200。
如图1所示，后端组合装置200可以有污染物控制系统，噪声控制系统和水管理系统中的任何一个系统。美国专利申请09/832,715和09/879,441讨论了后端组合装置200的一些例子。再看图2，它显示的是具有降噪元件和水管理过滤器的后端组合装置一个较佳实施方式。
后端组合装置200具有入气口202，出气口204和外壳205，位于外壳205内的是一个过滤器210。过滤器210具有两个过滤元件210a，210b。在所示的实施方式中，这两个过滤元件由多孔的聚四氟乙烯(PTFE)材料制成，它起颗粒过滤和化学物质过滤双重作用。多孔PTFE能阻止盐类和诸如油类等有机物通过。因此，PTFE完成颗粒与化学物质过滤作用。PTFE允许水蒸气通过并冷凝成水而收集之。冷凝水通常由排出组合装置200排出。
组合装置200还包括外壳205内的一个降噪元件230，降噪元件230至少衰减或降低噪声至少3分贝，通常至少6分贝，更佳至少10分贝，最佳至少25分贝。外壳205和过滤器210的截面最好呈圆形，以增加组合装置200的降噪能力。
可以对流经后端过滤组合装置200的空气进行监测，决定该空气是否被有潜在危害的污染物玷污或已经玷污。至少有三种监测方法可供选择。空气质量流量传感器可置于过滤器210与燃料电池之间，监测流经过滤器210的空气质量流量。随着流量减小，可以预测过滤器210的被堵塞程度。第二种方法，监测经过过滤器210的压力差。第三种方法，在过滤器210的前端安装一只压力释放阀，因此，如果过滤器210严重被堵，空气无法足量流过，则会在过滤器210之前聚集压力，就会开启压力释放阀。
经由入气口202进入后端组合装置200的空气，经降噪元件230衰减声音后，流经过滤器210，不管其是否由里向外，或由外向里流过。过滤器210能去除可能会已流经的颗粒或由压缩机50′产生的颗粒。空气经出气口204从后端组合装置200排出，进入燃料电池15。
燃料电池利用吸入空气中的氧和作燃料氢的催化反应产生能量。反应的副产物为气态或液态水。排出燃料电池15的废空气会已经收集了来自负极催化剂或电解质的污染物。
在图1系统中，进入燃料电池15的空气因已经通过压缩机50，50′而通常处于较高压力。这个压力的升高能提高燃料电池15的效率。流过燃料电池后，空气又回复到1个大气压，或至少从原有高压下降。在图1中，空气流经膨胀机55。在一个较佳实施方式中，膨胀机55与一个压缩机相连，如图3中的压缩机50，因此压缩机50′和膨胀机55一起组成一个如图3所示的涡轮增压器。
图1的燃料电池系统还包括排气组合装置300，它位于燃料电池15的后端，从膨胀机55流出的空气进入该排气组合装置。排气组合装置300位于燃料电池15的排气端，因此流经组合装置300空气中的氧含量已经减少。排出的空气中还含有气态水或液态水。
图2所示排气组合装置300的一个较佳实施方式中，还包rtd污染物控制系统，噪声控制系统和水管理系统。具体地说，排气组合装置300具有降噪元件330，化学物质过滤器320和除水元件340，它们都装在外壳305内。除水元件340能去除液态水，但允许水蒸气随同空气流一起排出。
外壳305的入气口302接受来自燃料电池15的空气，其出气口304排出空气。空气经由入气口302进入排气组合装置300，进入降噪元件330。化学物质过滤器320位于元件330的后面。液态水经除水元件340从气流中排除。排气组合装置300的较佳除水元件340的一个例子为多管结构，常称之为“多层管路”。
前面所述的燃料电池系统10具有许多组合式部件，用于系统10内污染物，噪声，水分的控制。各种组合装置的各种较佳实施方式叙述的是用于燃料电池15正极侧的空气气流。应当理解，上述任意组合装置，以及其变体均可用于燃料电池的燃料侧(即负极侧)，用以保护燃料电池中的催化剂或燃料重整器中的催化剂。
下面将讨论认为有害于燃料电池操作的各种污染物。
环境空气中的污染物
空气污染物在组成与数量上随地点不同而异。例如，颗粒物浓度从平静的洋面上到有大风的沙漠上，可差九个数量级。此外，颗粒物粒度分布各不相同，取决于颗粒物的来源。下表1所示的是污染物通常是如何随环境条件与地理位置而变。
挥发性有机化合物(VOC)，诸如从内燃机排放的为未燃尽的碳氢化合物的浓度变化极大，取决于地理位置与排放源。在寒冷天气的都市地区VOC，浓度可好几天维持在高水平，这是由内燃机冷启动时产生的。二冲程内燃机工作的地区含有高浓度CO和VOC。城市里VOC平均浓度相对较低，但城内局部地区浓度可较高。在燃烧含硫燃料的地区，家畜养殖业的农村地区或有造纸厂一类工业排放源的地区，能发现空气中含有硫化物。
氨通常出现在农村地区和靠近废水处理厂地区。发现汽车的三路催化转化器用来降低其尾气的氮氧化物时，每100哩排放约0.28盎司的氨作为副产物。排出的氨会在隧道内或其它受限制区域中会累积起来。
空气中盐类的浓度在沿海地区，沙漠，靠近工业排放区或寒冷天气在公路上撤盐除冰的地方特别大。空气中携带的是NaCl，KCl，硫酸铵，硫酸镁或其它硫酸盐，它的潮解与状态变化取决于水分条件。盐类可以是颗粒状或水溶液形式。干盐颗粒大小从0.5-1.5μm不等。湿盐颗粒大小从1-20μm不等。沿海地区空气中的盐浓度在很多程度上取决于风速，特别当该地区直接暴露在于雨水时尤为如此。空气中盐的浓度在风速达35浬/小时时，可高达10ppm。如果该地区受到适当保护，并不直接受到雨淋的话，采集高度高达100呎时，盐类的浓度列于表2。
表3列出的是各城市选定的一些污染物的平均浓度。在诸如战场等极端情况下，空气中毒气和其他污染物浓度列于表4。
                         表1污染物类型与地理位置关系
  地理位置 都市重工业与汽车集中的都市 偏远/极地地区森林，冻土地带，和农村 近海和沿海地区 沙漠     热带
  环境条件 雨，雾，烟，雪28°F-100°F(-1-40)腐蚀性化学物质，VOC，SO2，烟灰颗粒，NOx，NH3，和干盐 雪，冻雨，霜40°F-90°F(-40-31)干燥，非腐蚀性纤维状颗粒，氨，SO2，和飞尘 潮盐和干盐，腐蚀性颗粒，0°F-90°F(-18-31)雨，盐，海水喷淋，雾，雪和冰 干燥，阳光充足30°F-120°F(0-50)沙暴，旋风，干燥，腐蚀性颗粒，尘土和盐     降雨量大40°F-120°F(5-50)纤维状非腐蚀性颗粒，霉菌和昆虫
  颗粒浓度(μm/m3) 50-175 ＜150 ＜135 ＞350,000     ＜135
  颗粒大小范围(μm) 0.01-30 0.01-75 0.01-10 0.01-500     0.01-10
           表2在适度受到保护的沿海地区盐的质量浓度与风速关系
                                 盐颗粒浓度
    风速(哩/小时)(浬/小时)
 ＜4μm(ppm，以质量计)  ＜13μm(ppm，以质量计)  总量(ppm，以质量计)
    10     8.7  0.004  0.005  0.006
    20     17.4  0.006  0.009  0.010
    30     26.0  0.008  0.011  0.012
    40     34.7  0.010  0.012  0.014
    50     43.4  0.012  0.013  0.018
        表3环境空气中污染物的平均浓度与地理位置关系
    SO2(ppb)     颗粒10(μg/m3)     苯(ppb)
澳大利亚佩斯     2.0     21
英国伦敦     11.0     29     1.8
意大利罗马     1.0     52     3.7
法国巴黎     5.0
德国柏林     6.0     31     2.8
中国上海     20.0
印度德里     9.0     162
中国台湾台北     4.0     44
俄罗斯莫斯科     41.0
埃及开罗     26.0
瑞典斯德哥尔摩     2.0     25
美国纽约     9.0     17     3.0
美国洛杉矶     2.0     139     1.0
美国休斯敦     2.6     29     0.8
美国明尼阿波利斯     9.8     25     0.5
加拿大温哥华     2.0     14     0.7
墨西哥墨西哥城     28.0     53
巴西圣保罗     16.0     54
     表4战场上污染物的浓度
    污染物     浓度(ppm)
    CO     20
    SO2     0.5
    苯     50
    丙烷     90
    NO2     0.4
    氯化氰(CNCl)     780-1560
    氰化氢(HCN)     1780-3560
    硫芥子气     15
    萨林气     170-340
对上述各种污染物的控制系统较好进行设计，用以降低会危及燃料电池15工作效率的污染物含量。
压缩机的污染排放
除了大气空气中存在的污染物外，诸如压缩机50，50’等空气传输或运送装置也会产生或排放污染物，它们或为颗粒状或为化学物质，或两者兼而有之。
压缩机排放的污染物至少两种有害于燃料电池：从轴封泄漏的润滑油以及旋转部件磨损下来的颗粒。燃料电池的空气传输系统中最常用的一种压缩机为双螺杆Lysholm型压缩机。对这一种压缩机的排放已进行了研究，发现排放的颗粒物和少量润滑油。
来自压缩机的污染物收集在压缩机后端两个不同类型过滤器内。一种为膜过滤器，它捕集颗粒物，而另一种为HEPA过滤器，它收集润滑油。向压缩机输入净化室质量的HEPA过滤的空气，可消除捕集压缩机后端不是来自压缩机的污染物的可能性。
图5是膜过滤器上收集的污染物的扫描电镜照片。膜上对称黑色形状物为3μm的腐蚀孔，而形状不均匀为收集的颗粒物。即使颗粒大小与形状各不相同，但经分析它们的元素组成完全相同。颗粒大小从1-10μm不等，具有高速磨损产生的硬质类材料颗粒的特征。
元素分析采用能量色散光谱仪(EDS)进行。图6所示为典型颗粒的分析结果。图6中氧与碳的谱峰表明颗粒为有机物，可能是由压缩机润滑油产生的。痕量铜与锌也表明为润滑油，因为油类添加剂中通常含有锌与铜。钼与硫的谱峰很可能表示压缩机叶轮上涂覆的MoS2涂层。所有颗粒经分析表明钼与硫之比率均相同，但有机物的量各不相同。没有一种颗粒含有铝，而铝是压缩机外壳和叶轮的基质材料。下面表5为污染物元素分析结果。
                          表5收集到的污染物的元素分析
    元素     重量％     原子％     K比率     Z     A     F
    C     82.31     92.56     0.3289     1.0172     0.3928     1.0001
    O     6.14     5.18     0.0069     1.003     0.115     1.0001
    S     2.04     0.86     0.0193     0.9624     0.9838     1
    Cu     0.56     0.12     0.0049     0.8413     1.0293     1
    Zn     0.34     0.07     0.0029     0.8426     1.0278     1
    Mo     8.62     1.21     0.0651     0.7489     1.0091     1
    总量     100     100
空气污染对PEM燃料电池的影响
通常燃料电池的污染问题不同于传统的能源体系，诸如内燃机和燃气轮机。大的颗粒物在燃烧过程中被过滤出来，而亚微米级颗粒物与化学物质不用从引擎燃烧空气中过滤，因为它们是无害的。如果对PEM燃料电池正极室用的空气采用同一过滤能力，则污染物离子与化学物质会永久性地使燃料电池性能下降。
Sakamoto等人一项关于正极室空气污染物的研究清楚表明，避免污染物进入正极室的重要性。图7为单级电池电压在有过滤器与无过滤器随时间变化的比较图。Sakamoto等人发现无空气过滤装置的电池在试验结束时，Ca，K，Mg，和Na离子含量增加。
图8，9和10表示空气中SO2对PEM燃料电池性能的影响。在每次实验中，氢/空气PEM燃料电池使用的负极为0.17mg Pt/cm2，正极为0.18mg Pt/cm2。燃料电池在氧过量50％，温度为80℃，空气流量为202标准cm3/分钟情况下运作。输入正极室的空气中含有SO2污染物浓度或为零，或为5ppm。
在第一次试验中，实验结果画于图8，燃料电池在洁净空气中工作二个小时后，开始转用SO2污染后的空气。燃料电池的能量输出在历经1小时后骤然下降，并且再将受SO2污染空气转为洁净空气后，燃料电池能量输出无法复原。
在第二次试验中，实验结果画于图9，燃料电池先在SO2污染过的空气中工作3.4小时，30分钟后其性能开始下降，且在3.4小时内持续下降。改用洁净空气后，能量输出只稍有恢复，甚至采用洁净空气一直持续工作87小时也是如此。
在第三次试验中，实验结果画于图10，不干净空气中仅含1ppmSO2。燃料电池暴露在SO2污染物下的最初15小时内性能下降缓慢，此后性能下降迅速。其暴露在SO2污染空气中长达44.5小时，40小时后能量输出达稳定，尽管比原有输出低了近60％左右。将受污空气再改为洁净空气后，输出稍有增加后即稳定。
显然，SO2污染气体对电池性能影响颇大，而且性能下降很大程度上不可逆转。必须指出，图8和9所示数据是当SO2污染物浓度为5ppm时产生的，这种浓度非常接近于SO2排放源水平。作为参考，SO2气味的阈值为0.1-3ppm。未受保护的燃料电池在一般大气中SO2的浓度情况下，其电池性能下降所经的时间往往大大长于图8，9和10所示的时间，除非燃料电池在靠近SO2排放源下工作。
然而，应该理解，尽管本发明的许多特征与优点连同其结构细节与作用已在前面说明，但本发明所公开的内容仅是叙述性的，不应该以任何方式限制所附权利要求所规定的本发明范围。本发明不应限于这里所述的实施方式，或这里所使用的具体类型的燃料电池，或本发明系统所用的具体部件，构型或材料等。本发明的各种变换与修改均落在所附权专利要求所覆盖的宽范围之内。

Claims (13)

1.燃料电池系统，包括：
(a)具有空气入气口的燃料电池；
(b)具有空气入气口与出气口的空气传输装置，该出气口在操作上连接至燃料电池的入气口；
(c)位于空气传输装置前端的第一组合装置；
(d)位于空气传输装置后端的第二组合装置，
第一与第二组合装置至少包括污染物控制系统，噪音控制系统，温度度控制系统和水管理系统中的两个系统。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征为：第一组合装置包括污染物控制系统和噪音控制系统。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征为：污染物控制系统包括颗粒过滤器和化学物质过滤器。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征为：第二组合装置包括污染物控制系统和水管理系统。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征为：污染物控制系统包括颗粒过滤器和化学物质过滤器。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其特征为：颗粒过滤器和化学物质过滤器用的是聚四氟乙烯材料。
7.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征为：第二组合装置还包括噪音控制系统。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，它还包括：
(a)第二空气传输装置，
(b)第三组合装置，其中：
(i)第三组合装置位于空气传输装置的后端和第二空气传输装置的前端；
(ii)第二组合装置位于第二空气传输装置的后端。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其特征为：第三组合装置包括噪音控制系统和温度控制系统。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征为：第三组合装置还包括污染物控制系统。
11.用于一种包括会发出声音的空气传输装置的燃料电池系统的组合装置，该装置包括：
(a)具有空气入气口与出气口的外壳
(b)构建的噪声控制系统，它能将噪声降低至少3分贝，
(c)位于外壳内的温度控制系统，噪声控制系统和温度控制系统。
12.如权利要求11所述的组合装置，其特征为：温度控制系统包括热交换器。
13.如权利要求12所述的组合装置，其特征为：所述热交换器为水冷却的。
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