專利名稱：用于電化學(xué)電池的加壓氫輸送系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電化學(xué)燃料電池的氫燃料輸送系統(tǒng)，并且更具體涉及氫存儲及輸送系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池在大量應(yīng)用中作為動力源使用，包括作為車用內(nèi)燃機(jī)的替代動力源。電化學(xué)燃料電池包含夾在電極間的膜。一種優(yōu)選燃料電池被稱作質(zhì)子交換膜(PEM)電池，其中氫(H2)在陽極用來作為燃料源或還原劑，而氧(O2)以純凈氣態(tài)形式或者與空氣中的氮?dú)夂推渌栊韵♂寗┙M合提供到陰極作為氧化劑。在燃料電池的操作過程中，通過在燃料電池內(nèi)發(fā)生的還原-氧化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電勢由電極附件的導(dǎo)電元件存儲電力。
燃料電池堆棧包括捆扎在一起形成高壓包的多個單個電池。對于很多的應(yīng)用，并且特別是電動車輛應(yīng)用，所希望的是燃料電池堆棧能夠快速啟動以便在沒有顯著延遲的情況下立即產(chǎn)生推動車輛所需的能量。此外，氫供給裝置必須在操作過程中給燃料電池堆棧加燃料。在固體材料中存儲的氫提供相對高的容積氫密度和緊湊的儲存介質(zhì)，這對移動應(yīng)用特別有利。由于氫可以在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫顟B(tài)下釋放或解吸從而提供可控的氫源，存儲在固體中的氫是所希望的。
目前，希望增加氫存儲容量或從材料中釋放的容積，同時減小材料重量以改善重量容積。此外，目前許多材料僅在非常高的溫度或壓力下吸收或解吸氫。因此希望找到在相對低的溫度和壓力下產(chǎn)生或釋放氫并且具有相對高的重量氫存儲密度的儲氫材料以及氫存儲及輸送系統(tǒng)。
因此，希望一種盡可能成本有效地優(yōu)化燃料電池性能的用于燃料電池的改善氫存儲及輸送系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于燃料電池的氫輸送系統(tǒng)，其包括用于收容儲氫材料的流體存儲容器。儲氫材料存儲氫。該輸送系統(tǒng)還包括用于存儲并將氫輸送到至少一個燃料電池的流體壓載容器。加壓裝置適于對從存儲材料中釋放的氫加壓以便輸送到壓載容器。
在另一方面中，本發(fā)明提供一種氫輸送系統(tǒng)，其包括容納釋放氫氣的儲氫材料的流體存儲容器。氫輸送系統(tǒng)包括與流體存儲容器流體連通以便對釋放的氫氣進(jìn)行加壓的流體加壓裝置。液態(tài)壓載容器適于接收并存儲來自液態(tài)加壓裝置的加壓氫氣。氫輸送系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個使用氫氣作為反應(yīng)物的燃料電池，其中加壓氫氣在基本恒定的壓力下以流體流的方式從壓載容器輸送到燃料電池。
在另一方面中，本發(fā)明提供一種給燃料電池提供氫反應(yīng)物的方法，其包括從儲氫材料中釋放氫氣，對氫氣進(jìn)行加壓，將加壓氫氣存儲在壓載容器中，以及將加壓氫氣從壓載容器輸送到燃料電池。加壓氫氣的壓力優(yōu)選大于或等于燃料電池的操作壓力。
從下文中所提供的具體描述可知本發(fā)明的其它應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)該理解，顯示本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的具體描述和特定示例只是用于解說的目的，決不意味著限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細(xì)描述和附圖可以更全面地理解本發(fā)明，其中圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆棧的燃料輸送系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例；圖2是示范性儲氫材料的壓力-濃度-溫度(PCT)曲線圖；
圖3顯示燃料電池堆棧的燃料輸送系統(tǒng)的備選的實(shí)施例，其中流體加壓裝置和流體搬運(yùn)(handling)系統(tǒng)具有公共驅(qū)動機(jī)構(gòu)；以及圖4顯示燃料電池堆棧的燃料輸送系統(tǒng)的另一個備選實(shí)施例，具有用來在燃料電池系統(tǒng)中加壓和傳輸流體的單個流體加壓裝置。
具體實(shí)施例方式
優(yōu)選實(shí)施例的后續(xù)描述實(shí)際上僅是示范性的，并且決不傾向于限制本發(fā)明、其應(yīng)用或使用。
在一方面中，本發(fā)明提供一種用于燃料電池的改進(jìn)燃料輸送系統(tǒng)。在本方明的優(yōu)選實(shí)施例中，氫可逆地保存在儲氫材料中。儲氫材料容納在流體存儲容器中，例如罐。如本申請所使用的，術(shù)語“流體”傾向于廣泛包含氣體以及氣體，蒸汽和液體的混合物，例如具有夾帶液體或其它稀釋劑的氣體。儲氫材料優(yōu)選是具有氫化態(tài)和脫氫態(tài)的固體材料。通過使氫化態(tài)的儲氫材料受到適當(dāng)溫度和壓力狀態(tài)的影響，儲氫材料將釋放或解吸氣態(tài)氫。以這種方式，儲氫材料用來作為在例如氫氧PEM燃料電池作為燃料(即反應(yīng)物)的氫氣的固態(tài)源。此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在所有氫從儲氫材料的氫化態(tài)釋放出以后，可以利用氫氣對該材料的脫氫態(tài)進(jìn)行再充以便使儲氫材料的氫化態(tài)再生，并且從而為燃料電池補(bǔ)充氫源。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例能夠在所希望的并且基本恒定的壓力水平下穩(wěn)定地向燃料電池堆棧傳送氫氣。如申請所使用的，術(shù)語“基本”是指允許豎直略微偏差或波動的近似值。如果，因?yàn)槟承┰颍伞盎尽睅淼牟痪_在本領(lǐng)域無法以其它方式理解，那么本申請所使用的“基本”表示最多10％的可能數(shù)值變化。
現(xiàn)有技術(shù)的燃料輸送系統(tǒng)通常具有容納儲氫材料的氫存儲裝置，其中氫存儲裝置直接與燃料電池流體連通。這種燃料傳遞系統(tǒng)通常將可用材料的范圍限制到具有在對應(yīng)于燃料電池的操作狀態(tài)的溫度和壓力狀態(tài)下釋放氫的特定物理特征的材料。如下文更詳細(xì)描述的，本發(fā)明的一方面在于流體存儲容器中的儲氫材料和操作狀態(tài)相對獨(dú)立于燃料電池的操作狀態(tài)(例如，溫度和壓力)，因而能夠產(chǎn)生更有效的氫輸送系統(tǒng)，并擴(kuò)大可以使用的儲氫材料的范圍(通過加寬物理屬性需求)。
如圖1所示，本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例具有根據(jù)本發(fā)明的氫輸送系統(tǒng)20，其包括優(yōu)選包括多個使用氫和氧作為反應(yīng)物的燃料電池24的示范性燃料電池堆棧22。這種燃料電池24優(yōu)選是在陽極消耗氫并在陰極消耗氧，并且在電池堆棧中彼此串聯(lián)以產(chǎn)生電力的質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。燃料電池堆棧22連接到向陰極側(cè)入口通道28輸送氧作為燃料電池24的反應(yīng)物的氧源26。燃料電池堆棧22同樣具有從燃料電池堆棧22排出的陰極流出物流30。同樣地，如將在下面更詳盡討論的，燃料電池22具有氫反應(yīng)物經(jīng)其進(jìn)入燃料電池堆棧22的陽極側(cè)入口通道32和用于從堆棧22移除陽極流出物的陽極出口通道34。
提供容納固態(tài)儲氫材料(未顯示)的液態(tài)存儲容器40。儲氫材料在固體氫化態(tài)存儲氫，而當(dāng)受到適當(dāng)溫度和壓力狀態(tài)影響時釋放氫氣，以形成脫氫態(tài)。存儲容器40具有通向入口閥門44的入口導(dǎo)管42，以及連接到出口通道48的出口閥門46。出口通道48連接到流體加壓裝置60的入口50。流體加壓裝置60可以是使流體壓力增加以對應(yīng)于燃料電池24的所需操作狀態(tài)的任何裝置，并且可以包含壓縮器、鼓風(fēng)機(jī)、泵或類似裝置。如圖示并且在本申請參考的非限制的示范性流體加壓裝置60是壓縮機(jī)。流體加壓裝置60可以布置用作雙重功能，當(dāng)作用于在燃料電池系統(tǒng)20中循環(huán)流體的流體循環(huán)裝置，以及用于增加燃料電池系統(tǒng)20中流體壓力的流體加壓裝置。連接通路62將加壓裝置60的出口54連接到緩沖件或壓載容器70，例如加壓存儲罐。因此，在液態(tài)存儲容器40中產(chǎn)生的氫氣在流體加壓裝置60中壓縮并加壓然后經(jīng)連接通路62輸送到壓載容器70。應(yīng)該注意到包含氫氣的流體流可以進(jìn)一步包括稀釋劑和其他化合物或成分。壓載容器70存儲加壓的氫氣并在正常穩(wěn)態(tài)操作過程中在基本恒定的壓力下將其輸送到燃料電池堆棧22作為燃料/反應(yīng)物，到達(dá)燃料電池堆棧22的陽極入口通道32。如本申請所使用的“正常”、“穩(wěn)態(tài)”、“非啟動”或“操作模式”狀態(tài)是指當(dāng)溫度在典型的操作范圍內(nèi)時的操作狀態(tài)。對于燃料電池的“瞬態(tài)”狀態(tài)一般指當(dāng)燃料電池過渡或從冷態(tài)接合(即，啟動過程)以實(shí)現(xiàn)操作溫度、燃料輸送和電流輸出的穩(wěn)態(tài)正常范圍時，或者在當(dāng)移動應(yīng)用經(jīng)歷功率增加需求或需要相對短時間周期的功率需求量負(fù)載調(diào)整時的可變操作狀態(tài)過程中的瞬態(tài)操作狀態(tài)。
在許多燃料電池中，氫氣反應(yīng)物僅部分消耗，并且對陽極流出物中氫的未消耗部分在配置為具有回收/再循環(huán)回路的流體搬運(yùn)系統(tǒng)72中從陽極出口34再循環(huán)/回收到陽極入口32。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，燃料電池堆棧系統(tǒng)20包括包含流體搬運(yùn)裝置74的流體搬運(yùn)系統(tǒng)72，例如，用于經(jīng)系統(tǒng)20從和向燃料電池堆棧22循環(huán)流體的泵、壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)。在如圖1所示的實(shí)施例中，再循環(huán)回路流體搬運(yùn)系統(tǒng)72進(jìn)一步包括用來運(yùn)輸流體的管道或再循環(huán)通道76。如所示的配置中，流體搬運(yùn)系統(tǒng)/再循環(huán)回路72連接到壓載容器70，其中來自再循環(huán)回路72的流體與存儲容器40內(nèi)產(chǎn)生的氫氣結(jié)合。來自流體搬運(yùn)系統(tǒng)72的氫氣的壓力通常與電池堆棧22相似，因此與燃料電池24的操作壓力相似。因此，壓載容器70中的流體混合物包括從儲氫材料中釋放的由流體加壓裝置60加壓的氫氣和來自加壓再循環(huán)回路72的回收氫氣，以及其他稀釋流體和化合物(例如，水或氮?dú)?。因此，在某些優(yōu)選實(shí)施例中，燃料輸送系統(tǒng)20在堆棧22中包括陽極側(cè)組件(包括多個燃料電池的多個陽極)，其中壓載容器70向陽極組件的入口32供給氫，而壓載容器70從組件的出口34接收的流出物。
應(yīng)該注意到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，壓載容器70可以包括連接到外部氫供給源的附加閥門(未圖示)和管道(未圖示)，因此向系統(tǒng)20提供附加氫源。雖然未圖示，再循環(huán)回路/流體搬運(yùn)系統(tǒng)72還包括用于減少循環(huán)回路中的水和氮濃度的凈化閥門系統(tǒng)。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所意識到的，流體輸送系統(tǒng)20和氫再循環(huán)系統(tǒng)72優(yōu)選在系統(tǒng)20中的適當(dāng)位置裝配檢查和/或隔離閥門，在本申請中未進(jìn)行描述。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，存儲容器40具有至少一個壓力傳感器78和至少一個溫度傳感器80。還優(yōu)選的是壓力傳感器82位于加壓裝置60的出口64或者在通道62內(nèi)(未圖示)。還優(yōu)選的是壓載容器70具有壓力傳感器84。同樣地，典型的是燃料電池堆棧22具有一個或多個溫度和壓力探針(未圖示)，和流量表(未圖示)。盡管在圖1中未描述，本發(fā)明可以任選性包括位于存儲容器40的出口或壓載容器70的出口的流量表。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所意識到的，這些壓力、溫度和流量傳感器能夠通過控制進(jìn)行系統(tǒng)操作的監(jiān)測和系統(tǒng)自動控制。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例使用由位于壓縮機(jī)出口64的壓力傳感器82測量的氣體壓力通過作為設(shè)定點(diǎn)變量通過控制回路調(diào)節(jié)加壓裝置/壓縮機(jī)60的操作。因此，在某些優(yōu)選實(shí)施例中，壓縮機(jī)60以逐漸增加的較低壓力從存儲容器40吸出氣體以便保持氣流處于恒定壓力。通過這種方式下，本發(fā)明能夠在較低溫度和壓力下釋放氫，并且進(jìn)一步通過同樣降低周圍環(huán)境壓力對儲氫材料中逐漸降低的平衡釋放壓力進(jìn)行補(bǔ)償，本質(zhì)上將儲氫材料中的氫氣吸出。
在脫氫儲氫材料的再充過程中，優(yōu)選的是高壓氫供給裝置連接到連接入口閥門44的入口管道42。在再沖過程中，入口閥門44打開并且出口閥門46關(guān)閉，以便允許存儲容器40內(nèi)的氫氣過壓，產(chǎn)生更大的差動壓力，促進(jìn)更大驅(qū)動力以及氫氣的充裝或再吸收速率。當(dāng)氫氣從存儲材料釋放是，入口閥門44關(guān)閉，以便能夠降低氫氣存儲容器40中的壓力。
在由儲氫材料從存儲容器40釋放氫氣的同時，氣體通過增加氫氣壓力(即，加壓)的加壓裝置60。優(yōu)選的是加壓裝置60將氫氣加壓成與穩(wěn)態(tài)操作過程中燃料電池堆棧22的壓力水平基本相當(dāng)或者備選大于的水平。在穩(wěn)態(tài)操作過程中，優(yōu)選的是存儲容器40的壓力小于流體壓載容器70的壓力。還優(yōu)選的是流體壓載容器70的壓力大于或等于在其操作過程燃料電池24的壓力。然而應(yīng)該注意的是，壓力值的范圍可以與燃料電池24的操作壓力顯著不同。因此，例如，在啟動狀態(tài)過程中，目前公知的啟動方法包括給入高達(dá)30絕對標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)的氫氣。因此，加壓裝置60可以在寬壓力值范圍中提供加壓氣體，并且這些值可以進(jìn)一步基于所選擇的操作場景改變。隨后，加壓氫氣存儲在壓載容器70中。隨后，加壓氫氣從壓載容器70如所需地以預(yù)定壓力水平輸送到燃料電池堆棧22的陽極入口通道32。本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)包括增設(shè)壓載罐70，其提供用于改變?nèi)剂想姵叵到y(tǒng)20不同的負(fù)載狀態(tài)的緩沖件。例如，壓載容器70優(yōu)選具有足以在高負(fù)荷狀態(tài)過程中按需提供額外的氫的容量。因而，存儲容器40并不專用于燃料電池堆棧22并且氫輸送不僅僅是實(shí)時的，允許平滑的持續(xù)操作以及操作的靈活性。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，儲氫材料以基本可逆的方式存儲氫。如本申請使用的術(shù)語“材料”廣泛地指包含至少優(yōu)選的化學(xué)化合物的物質(zhì)，但其還可以包括附加物質(zhì)或化合物，包括雜質(zhì)。術(shù)語“成分”也廣泛地指包含優(yōu)選的化合物或成分的物質(zhì)。“基本可逆”是指在解吸反向反應(yīng)過程中，該材料釋放在吸收反應(yīng)或正向反應(yīng)過程中所吸收的氫的約80％或更多。這種可逆過程被稱作為氫化。氫化過程的一個例子如方程式(1)所顯示的 其中M(s)是固態(tài)氫吸收金屬合金，MHy(s)是固態(tài)金屬氫化物，并且氫(H2(g))以氣態(tài)方式提供。方程式(1)是固-氣反應(yīng)過程，其中在放熱充裝反應(yīng)過程中吸收氫氣，而在吸熱排放反應(yīng)過程中釋放氫氣?；瘜W(xué)計量取決于成分和M的總電荷，因此將氫化物表示為MHy是更通用的表達(dá)式，其中選擇y來提供電荷平衡。在氫化狀態(tài)，儲氫材料存儲吸入的氫氣，并隨后在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫顟B(tài)下以氣體狀態(tài)釋放。隨著氫氣釋放，儲氫材料形成脫氫態(tài)。在基本全部氫氣從儲氫材料釋放并且基本所有材料脫氫后，儲氫材料需要通過暴露于氫或備選由新的儲氫材料替換而進(jìn)行再生。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，儲氫材料可逆地存儲和釋放氫，其中通過暴露于氫氣發(fā)生再充，使得儲氫材料再生成氫化態(tài)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，儲氫材料能夠通過在工業(yè)可行的溫度和壓力狀態(tài)下使脫氫態(tài)受到氫影響而利用氫氣從脫氫態(tài)重再充到氫化態(tài)。一般說來，這種狀態(tài)包括大于大氣壓力的氫壓力，并且可以承受大于外界的溫度。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所意識的，這種狀態(tài)由各儲氫材料化合物特征規(guī)定，并且因而可以進(jìn)行相應(yīng)變化。
在另一個實(shí)施例中，儲氫材料通過“不可逆”的反應(yīng)釋放氫(其中再充狀態(tài)需要相當(dāng)大的附加處理或更多的極限溫度和壓力狀態(tài))。一旦不可逆的儲氫材料釋放出全部的氫并耗盡，它可以從儲氫艙中移除并由充氫的新儲氫材料替換。
目前公知的可逆存儲氫的存儲材料具有對應(yīng)于放熱氫化反應(yīng)和吸熱解吸/釋放反應(yīng)的反應(yīng)熱力學(xué)。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，基于目前公知的可逆儲氫材料，氫化反應(yīng)是放熱的，而解吸/釋放反應(yīng)是吸熱的。然而，本發(fā)明對存儲氫的任何儲氫材料都是有用的，并且不限于那些公知的具有這種反應(yīng)熱動力學(xué)的反應(yīng)系統(tǒng)。因此，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，如將在下面介紹的，為促進(jìn)所需的氫釋放反應(yīng)，本發(fā)明考慮到對儲氫材料加熱。
本發(fā)明的一個方面是減少從儲氫材料中移出或釋放氫所需的能量。儲氫材料的選擇通常關(guān)注各種的儲氫材料的平衡壓力。如圖2所示，顯示了在恒定的溫度下(即，等溫線)在金屬合金中氫濃度的一定范圍內(nèi)(以氫與金屬的原子比率表示)用于在示范性儲氫材料金屬合金氫化物中吸收和解吸氫的平衡壓力。在給定的恒定溫度或等溫線下，金屬合金中氫的濃度隨氫氣壓力的增加而增加(A點(diǎn))。在所示的例子中，平衡壓力經(jīng)過該范圍達(dá)到由B指示的相對恒定的值。平衡壓力這種平直區(qū)域一般稱為“平臺壓力(plateau pressure)”。經(jīng)過平臺壓力范圍B，材料中的氫通過同金屬合金反應(yīng)并形成氫化物而濃縮成高濃度固相。
氣態(tài)氫的壓力保持恒定，直到氫化物態(tài)占據(jù)氫吸收材料的全部體積。一旦達(dá)到特定的金屬合金的滿容量，氣體中的氫壓力再一次增加(C點(diǎn))。為了逆轉(zhuǎn)此過程并從金屬合金中釋放氫，氫吸收材料的周圍環(huán)境中氫的外界氣壓降低到平衡壓力以下，或者材料的溫度提高到使得其達(dá)到外部壓力低于平臺壓力(B點(diǎn))的溫度，從而有利于氫釋放。溫度通過將等溫曲線平移到較高或較低壓力來影響平衡壓力。
本發(fā)明的一個方面是將收容儲氫材料的流體存儲容器40保持在與燃料電池堆棧22的溫度和壓力狀態(tài)顯著不同的溫度和壓力狀態(tài)下。以前，儲氫材料和存儲容器40與燃料電池堆棧22直接流體連通，并且因而需要在與燃料電池24的操作狀態(tài)相當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫顟B(tài)下釋放氫。因而，現(xiàn)有技術(shù)的儲氫材料選擇規(guī)定存儲材料在與燃料電池24的操作狀態(tài)相當(dāng)?shù)膲毫ο箩尫艢?例如，從2到5atm范圍內(nèi)目前公知的燃料電池操作壓力狀態(tài)內(nèi)的某個值)。為了實(shí)現(xiàn)這種高平衡壓力，選擇的材料必須能夠在較高平衡壓力下釋放氫，并且必須近一步加熱到對應(yīng)于高壓的溫度(高的等溫線)。此外，如圖2所示的，當(dāng)儲氫材料源直接向燃料電池堆棧22提供氫時，選擇的材料通常具有平臺壓力平衡壓力特征。穩(wěn)定的平臺壓力使材料能夠在相對恒定的壓力和溫度下釋放氫。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例允許選擇具有不同于現(xiàn)有技術(shù)的儲氫材料選擇的材料特征的更大類儲氫材料。本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例允許流體存儲容器40具有與燃料電池堆棧22顯著不同的狀態(tài)，這拓寬了使用于本發(fā)明的氫材料成分的范圍。例如，材料可以具有差別巨大的吸收/解吸的動力和平衡值，其不必適應(yīng)燃料電池需要(例如，并不需要在對應(yīng)于燃料電池堆棧的高壓力下釋放氫)。同樣，如本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的，由于具有通過加壓裝置60將壓力降低到接近真空水平的能力，儲氫材料的平衡壓力并不一定呈現(xiàn)平臺壓力配置，而是可以具有任何配置。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)在于儲氫材料可以在低壓力和溫度下釋放氫，因?yàn)榧訅貉b置/壓縮機(jī)60將氣體抽出流體存儲容器40，在存儲容器40的內(nèi)部產(chǎn)生接近真空的狀態(tài)。然而，儲氫材料分別具有最低特征溫度，在該溫度下，不管周圍壓力怎樣材料不解吸或釋放氫。因而，本發(fā)明的氫輸送系統(tǒng)在高于各單個儲氫材料的最低溫度的狀態(tài)下進(jìn)行操作。此外，通過儲氫材料的反應(yīng)動力學(xué)釋放氫的速率取決于溫度。因此，儲氫材料的最低溫度可以同樣對應(yīng)于用燃料供給燃料電池堆棧22所需的(特別是在高負(fù)荷需求過程中)的最低釋放速率。這種溫度同樣取決于儲氫材料的選擇。
本發(fā)明提供了測量在儲氫材料中剩余氫燃料數(shù)量的能力。流體加壓裝置60調(diào)節(jié)成具有恒定的出口壓力(在82測量)。然而，隨著壓縮機(jī)60將儲氫材料中的額外氫吸出，因而減少了其氫容量，析出額外的氫所需的存儲容器40內(nèi)的溫度和內(nèi)部壓力同樣改變。因而，通過監(jiān)測流體存儲容器40的溫度和壓力(通過傳感器78、80)，可以通過使用公知的這些儲氫材料的PCT數(shù)據(jù)建立這些變量和氫濃度的關(guān)系。監(jiān)測剩余氫反應(yīng)物數(shù)量的其他替代方法可以包括量化出口通道48的流速并基于儲氫材料的公知存儲容量監(jiān)測使用情況。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，儲氫材料氫化物由通式MyHy表示，其中M表示除了氫以外的一種或多種陽離子，y表示M的平衡價態(tài)，其中平衡價態(tài)保持化合物的電中性。依照本發(fā)明，M表示除氫外的一種或多種陽離子核素(cationic species)或陽離子核素混合物。因此，根據(jù)本發(fā)明儲氫材料考慮到M包括復(fù)合陽離子，其包括兩種或更多種的不同陽離子核素。本發(fā)明所有優(yōu)選實(shí)施例所優(yōu)選的陽離子核素包括金屬陽離子以及非金屬陽離子，例如硼。
通常被稱為復(fù)合氫化物的某些儲氫氫化物包括兩個陽離子核素，但是陽離子核素中的一個與氫形成陰離子組，其進(jìn)一步與第二個陽離子核素相互作用。這個概念可以由具有表示為MyHy的氫化物的以下表達(dá)式表示，其中M包括兩種不同的陽離子核素A和B，以使M＝A+B。這樣，氫化物可以表示為Ada(BbHc)a-d，其中(BbHc)是陰離子組，其中d＝(c-b)并且a、b、c和d選擇為保持電荷平衡和化合物的電中性?！癆”是優(yōu)選為稀土金屬或鈣(Ca)、鎂(Mg)或鈦(Ti)的第一陽離子核素，而“B”是優(yōu)選為過渡金屬或鋁的第二陽離子核素。根據(jù)本發(fā)明的稀土金屬包括鑭(La)、釹(Nd)、鈰(Ce)，鐠(Pr)，并且過渡金屬可以包括鐵(Fe)、錫(Sn)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鈷(Co)并且錳(Mn)也是優(yōu)選的。“A”還可以是可商業(yè)購得的主要為Ce、La、Nd以及Pr的稀土元素的混合物的混合稀土金屬(在本領(lǐng)域標(biāo)識為“Mm”)。因而，優(yōu)選復(fù)合氫化物的例子在脫氫態(tài)的具有標(biāo)稱通式AB、A2B、AB2以及AB5。這種優(yōu)選化合物的非限制性例子包括AB為TiFe；A2B為Mg2Ni；AB2為CaMg2，ScFe2以及TiCr1.4V0.6；而AB5可以是LaNi5以及MmNi5。LaNi5是特別優(yōu)選的氫吸收金屬合金/低溫氫化物化合物。除上述材料以外，其他有用的儲氫材料包括含鎂或鎂基金屬氫化物。有用的例子包括上述A2B類的那些材料(比如Mg2Ni)以及鎂金屬(Mg)及其合金。
氮基或含氮的儲氫材料也與本發(fā)明兼容。包括含氮化合物的儲氫材料考慮用于本發(fā)明，并且例如包括包含由表達(dá)式Mc[(NH)-2]c/2表示的酰亞胺的氫存儲化合物，其中M表示除氫外的至少一種陽離子核素，而c表示M的平均價態(tài)，并且氫化后形成優(yōu)選地由通式Mc[(NH)-1]c表示的氨基化合物。這種含氮儲氫材料系統(tǒng)對本發(fā)明是有用的，包括2003年6月25日申請的美國專利申請No.10/603,474以及2003年8月26日申請的美國專利申請No.10/649,923中所述的那些材料，本申請通過參考結(jié)合了上述申請。
其他有用的儲氫材料系統(tǒng)包括由標(biāo)稱通式M’xM”yNzHd表示的儲氫材料，其中(a)M’是從Li、Ca、Na、Mg、K、Be及其混合物組成群組中選出的陽離子，x大于大約50并且小于大約53；(b)M”包括包含元素周期表中13族元素的陽離子成分，y大于大約5并且小于大約34；(c)N是氮，z大于大約16并且小于大約45；(d)H是氫并且處于完全氫化態(tài)，d大于大約110并且小于大約177；并且(e)其中選擇M’、M”、x、y、z和d選擇成保持電中性。由上述表達(dá)式表示的特別優(yōu)選的儲氫化合物的例子包括鋰硼二氮?dú)浠?Li3BN2H8)。這種化合物在2004年2月27日申請的美國專利申請No.10/789,899中進(jìn)行了描述，并且本申請通過參考結(jié)合了該專利申請。
如圖1中的實(shí)施例所示，存儲容器連接到傳熱裝置90(例如，熱交換器)。這種傳熱裝置90優(yōu)選循環(huán)熱傳遞介質(zhì)以便通過傳熱循環(huán)系統(tǒng)(未圖示)進(jìn)行加熱、冷卻或二者。在儲氫材料通過吸熱機(jī)制釋放氫并且通過放熱機(jī)制吸收氫的實(shí)施例中，傳熱裝置90中的傳熱介質(zhì)在氫釋放過程中將向存儲容器40傳熱(如果需要)或從存儲容器40中去除熱量。如果需要，熱量傳遞裝置90既可以加熱也可以去熱。本實(shí)施例的一個方面是通過從存儲容器40的儲氫材料中吸出氫氣的壓縮機(jī)60降低存儲容器40中的壓力，因此需要相對低的平衡溫度來釋放氫。傳熱裝置90能選擇性的操作，并且優(yōu)選地其操作取決于存儲容器40中測量的溫度。
在圖3中顯示了本發(fā)明的一個備選的優(yōu)選實(shí)施例。在所示的實(shí)施例中，流體加壓裝置100和流體搬運(yùn)系統(tǒng)102共享公共的驅(qū)動機(jī)構(gòu)或馬達(dá)104。本實(shí)施例中的氫輸送系統(tǒng)110中所有其他元件的配置都與圖1所示的實(shí)施例相同。因此，在加壓裝置/壓縮機(jī)100沒有用加壓氫氣對壓載容器70進(jìn)行充裝的操作狀態(tài)下，流體搬運(yùn)系統(tǒng)/泵102操作為經(jīng)流體再循環(huán)系統(tǒng)72將流體循環(huán)進(jìn)入壓載容器70。驅(qū)動機(jī)構(gòu)104優(yōu)選尺寸限定為適合動力以及負(fù)荷需求，以便能夠進(jìn)行流體壓力裝置100和流體搬運(yùn)系統(tǒng)102的同時操作。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，實(shí)際的管道配置可以與圖示不同，并且可以包括在流體搬運(yùn)系統(tǒng)72中用來旁路壓載容器70的旁路通道在內(nèi)的旁路通道。
圖4中顯示了又一個備選的優(yōu)選實(shí)施例，其中流體加壓裝置和流體搬運(yùn)裝置是同一個流體處理設(shè)備120。在這種配置中，在反應(yīng)物輸送系統(tǒng)122中所有附加元件都與圖1相同，除了流體再循環(huán)系統(tǒng)72a包括連接到流體處理裝置120而不是如前述的實(shí)施例連接到壓載容器70的流體再循環(huán)通路74a。在壓載容器70必須由加壓氫氣再充的操作狀態(tài)下，流體處理設(shè)備120用來做流體加壓(作為壓縮機(jī))。然而，當(dāng)流體處理設(shè)備120僅需要在流體搬運(yùn)系統(tǒng)/再循環(huán)回路72a中循環(huán)流體時，流體處理設(shè)備120用作泵或風(fēng)箱來運(yùn)輸流體。這種組合的流體處理設(shè)備120的優(yōu)點(diǎn)在于通過組合功能和消除兩個獨(dú)立裝置而減小了反應(yīng)物輸送系統(tǒng)122的整體重量。
壓載容器70的結(jié)合通過提供額外的氫氣容量以便向其輸送使燃料電池反應(yīng)物輸送系統(tǒng)(例如20、110或122)能夠更好地響應(yīng)典型的負(fù)載需求變化。因此，在優(yōu)選的實(shí)施例中，壓載容器70的停留時間/存儲容量設(shè)計成適合高負(fù)載狀態(tài)下的燃料電池堆棧22的消耗，這進(jìn)一步取決于儲氫材料的響應(yīng)度以及從儲氫材料中釋放氫的速率。如前面討論的，壓載容器70給燃料輸送系統(tǒng)(例如，20)提供了特別的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榱黧w存儲容器40不需要具有與燃料電池24和堆棧22相同的操作狀態(tài)，而緩沖罐/壓載容器70能夠進(jìn)行相容高壓氫燃料，不會使燃料電池堆棧22受到隨氫從儲氫材料中釋放而與流體存儲容器40相關(guān)的壓力以及流速的潛在波動的影響。
燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的瞬態(tài)操作狀態(tài)對燃料電池技術(shù)的實(shí)施提出了挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)通常是由于例如，啟動過程的低溫，以及在低負(fù)載狀態(tài)過程中的反應(yīng)物的低化學(xué)計量(stoichiometry)，這導(dǎo)致顯著較低的熱量釋放，減緩了燃料電池正常溫度下的平衡。在目前的PEM燃料電池應(yīng)用中，在1到5atm的典型絕對操作壓力，穩(wěn)態(tài)溫度在大約70℃到90℃之間。從燃料電池堆棧22中釋放的這種熱量可以傳遞到液態(tài)存儲容器40，并且用以促進(jìn)從儲氫材料中釋放氫。但是，在通常低于1atm絕對壓下下，啟動溫度通常低于60℃。對于許多燃料電池應(yīng)用所希望的是燃料電池24能快速啟動以便立即產(chǎn)生所需能量，以便在沒有顯著延遲的情況下推進(jìn)車輛應(yīng)用。然而，在沒有從燃料電池堆棧產(chǎn)生的這種熱量的情況下，用于釋放氫的額外手段是有用的。
根據(jù)本發(fā)明的另一備選的優(yōu)選實(shí)施例包括容納在壓載罐70中第二儲氫材料(未圖示)，以便主要在瞬態(tài)狀態(tài)過程中使用。優(yōu)選的第二儲氫材料包括在對應(yīng)于啟動狀態(tài)的低溫下釋放氫的低溫存儲材料。在本實(shí)施例中，壓載罐70的一部分收容第二儲氫材料。第二儲氫材料優(yōu)選可逆地存儲氫，并且在對應(yīng)于壓載罐70的穩(wěn)態(tài)操作狀態(tài)的壓力和溫度下吸收氫。啟動后，在壓力傳感器84指示的啟動溫度和壓載容器壓力狀態(tài)下，壓載容器70可以將存儲的氫氣輸送到燃料電池堆棧22并且從收容于其內(nèi)的第二儲氫材料中釋放氫氣。第二儲氫材料也能在能量需求增加的瞬態(tài)操作過程中向燃料電池堆棧22提供額外的氫。
許多不同的合金能夠進(jìn)行這種相對低溫的氫化過程。低溫充氫通常認(rèn)為是在大約60℃以下，并且更具體在25℃以下。根據(jù)本發(fā)明，在優(yōu)選的溫度和壓力狀態(tài)下經(jīng)歷吸收氫以便形成氫化儲氫材料的某些優(yōu)選金屬合金，比如金屬氫化物，在本技術(shù)領(lǐng)域被稱作“低溫氫化物”。如上面討論的，這種儲氫材料也可以選擇作為流體存儲容器40中的儲氫材料，但是流體存儲容器40的儲氫材料選擇還集中在儲氫材料的其他方面，以便除了材料解吸氫的溫度外(此處主要為啟動過程的壓載容器70考慮)，流體存儲容器40的儲氫材料的選擇包括評估整體氫容量，氫釋放比率以及平衡壓力行為。許多低溫金屬氫化物，例如鑭五核鎳(LaNi5)尤其適合作為壓載容器70的儲氫材料以便在啟動過程中向燃料電池堆棧22輸送氫。一般說來，認(rèn)為低溫氫化物每單位重量的氫容量低于其他的儲氫材料，并且因此，非常適合在特定情況下提供少量的氫，比如啟動或在瞬態(tài)操作狀態(tài)過程中。通常更希望為主存儲容器40選擇具有更高氫容量和密度的材料。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是用于啟動狀態(tài)過程中的氫冗余存儲。在現(xiàn)有技術(shù)的氫存儲燃料輸送系統(tǒng)中，儲氫材料必須加熱到適當(dāng)?shù)臏囟纫员愦偈箽溽尫?。然而，利用本發(fā)明的某些優(yōu)選的實(shí)施例，在關(guān)閉之后可選擇性使用堆棧22在正常穩(wěn)態(tài)操作過程中產(chǎn)生的熱量以便促進(jìn)氫從儲氫材料額外釋放流體存儲容器40中。關(guān)閉之后釋放的氫由流體加壓裝置60加壓并且以適當(dāng)?shù)膲毫Υ鎯υ趬狠d罐70中以便進(jìn)行氫輸送。存儲的氫隨后可立即作為供給源，以便燃料電池堆棧22在冷狀態(tài)下進(jìn)行啟動。因而，在關(guān)閉后燃料電池堆棧22和存儲容器40排出的廢熱和氫可以有效地用于確保在啟動過程中的氫供給源。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了向包含向燃料電池提供氫反應(yīng)物的方法，其包括從儲氫材料中釋放氫氣以及對氫氣進(jìn)行加壓。加壓氫氣存儲在壓載容器并且從壓載容器輸送到燃料電池，其中加壓氫氣的壓力大于或等于堆棧中燃料電池的操作壓力。在某些優(yōu)選的實(shí)施例中，在向儲氫材料加熱的控制執(zhí)行釋放步驟。在備選的優(yōu)選實(shí)施例中，氫優(yōu)選在堆棧中的電池的啟動過程中從容納在壓載容器中的第二儲氫材料中釋放。在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，該方法包括監(jiān)測存儲容器中剩余的氫燃料的數(shù)量，以便在用掉存儲在儲氫材料中所有氫之前警告操作員低燃料狀態(tài)。這種監(jiān)控可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)，作為實(shí)例，包括對比存儲容器中的溫度和壓力，并通過將數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到一定氫濃度范圍內(nèi)材料的已知溫度和壓力狀態(tài)，而將其關(guān)聯(lián)到儲氫材料中剩余的氫數(shù)量。監(jiān)測的其它方法可以通過測量通過流量表的氫氣流，測量燃料電池的電流輸出，測量和監(jiān)測在短時間間隔內(nèi)流體搬運(yùn)裝置的馬達(dá)上的占空因數(shù)而計算消耗的氫數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)選的是，在重新充裝前，在燃料電池內(nèi)基本消耗儲氫材料中存在全部氫氣。同樣，本發(fā)明考慮到用氫供給源充裝儲氫材料，以便提供用于吸收到儲氫材料內(nèi)的氫氣。在本發(fā)明的備選優(yōu)選方法中，在氫的釋放或充裝，或兩者的過程中，在流體存儲容器和傳熱裝置之間傳遞熱量。此外，本發(fā)明繼續(xù)考慮到在燃料電池操作停止后將氫存儲在壓載容器中一定時間(當(dāng)輸送氫時)。
本發(fā)明的描述實(shí)際上僅是示范性的，并且因此不脫離本發(fā)明主旨的變型傾向于落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變型并不認(rèn)為背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種氫輸送系統(tǒng)，包括用于收容存儲氫的儲氫材料的流體存儲容器；用來存儲并將氫輸送到至少一個燃料電池的流體壓載容器；以及適于對從所述儲存材料釋放的氫進(jìn)行加壓以便輸送到所述壓載容器的加壓裝置，其中所述流體存儲容器的壓力小于或等于所述壓載容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述加壓氫在基本恒定的壓力下從所述壓載容器以流體流輸送到所述至少一個燃料電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述燃料電池包括陽極組件，所述壓載容器向所述陽極組件的入口供給氫，并且所述壓載容器從所述陽極組件的出口接收流出物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括用來向和從所述至少一個燃料電池傳送流體的流體搬運(yùn)系統(tǒng)，其中所述加壓裝置和所述流體搬運(yùn)系統(tǒng)共享公共驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述流體加壓裝置驅(qū)動流體經(jīng)過所述壓載容器并到達(dá)所述至少一個燃料電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述流體壓載容器保持于基本恒定壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述流體存儲容器內(nèi)的第一壓力小于所述流體壓載容器中的第二壓力，并且所述第二壓力大于或等于所述至少一個燃料電池在操作時的壓力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料具有小于所述至少一個燃料電池的穩(wěn)態(tài)操作壓力的平衡壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料通過經(jīng)吸熱反應(yīng)釋放所述氫并經(jīng)放熱反應(yīng)重新吸收氫而可逆存儲所述氫。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述流體加壓裝置驅(qū)動流體通過多個所述燃料電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料包括具有標(biāo)稱通式MyHy的成分，其中M表示除氫外的一個或多個陽離子核素，而y表示M的平均價態(tài)，其中所述平均價態(tài)保持化合物的電中性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料是具有從由AB、A2B、AB2以及AB5組成的群組中選擇的脫氫標(biāo)稱通式的氫化物材料；其中A是第一陽離子核素，而B是第二陽離子核素。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料包括含氮的化合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料包括含鎂的化合物
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述儲氫材料包括從由鑭五核鎳(LaNi5)，鎂鎳(Mg2Ni)，氨基鋰(LiNH)，鋰硼二氮?dú)浠?Li3BN2H8)，氫化鋁鋰(LiAlH4)，鎂金屬(Mg)及其合金，以及上述材料混合物組成的群組中選擇的組合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述壓載容器進(jìn)一步包括在所述燃料電池的瞬態(tài)過程中釋放氫的第二儲氫材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括與所述流體存儲容器熱連通的傳熱裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括一個或多個從溫度監(jiān)測裝置、壓力監(jiān)測裝置以及流體流速監(jiān)測裝置中選擇的監(jiān)測裝置。
19.一種氫輸送系統(tǒng)，包括容納釋放氫氣的儲氫材料的流體存儲容器；與所述流體存儲容器流體連通以便加壓所述釋放的氫氣的流體加壓裝置；適于從所述流體加壓裝置中接收并儲存所述加壓氫氣的流體壓載容器；以及使用所述氫氣作為反應(yīng)物的至少一個燃料電池，其中所述加壓氫氣在基本恒定的壓力下以流體流從所述壓載容器輸送至所述至少一個燃料電池。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述至少一個燃料電池包括陽極組件，所述壓載容器將所述氫氣供給到所述陽極組件的入口，并且所述壓載容器從所述組件的出口接收流出物。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述流體加壓裝置經(jīng)所述壓載容器向所述至少一個燃料電池驅(qū)動流體。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的氫輸送系統(tǒng)，其特征在于所述流體存儲容器中的第一壓力小于所述流體壓載容器中的第二壓力，其中所述第二壓力基本恒定并且大于或等于所述至少一個燃料電池在操作時的壓力。
23.一種向燃料電池提供氫反應(yīng)物的方法，包括從儲氫材料中釋放氫氣；加壓所述氫氣；將所述加壓氫氣存儲在壓載容器中；以及將所述加壓氫氣從所述壓載容器輸送到所述燃料電池，其中所述加壓氫氣的壓力大于或等于所述燃料電池的操作壓力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于在加熱所述儲氫材料的同時執(zhí)行所述釋放步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于在瞬態(tài)操作狀態(tài)過程中，從容納在所述壓載容器內(nèi)的第二儲氫材料中釋放附加氫氣。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括監(jiān)測所述儲氫材料中存在氫的數(shù)量。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括在所述燃料電池中基本消耗來自所述儲氫材料中的全部所述氫氣。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括用氫供給源充裝所述儲氫材料，以便向所述儲氫材料提供氫氣。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于在所述釋放步驟、所述充裝步驟或兩者的過程中，在所述流體存儲容器和傳熱裝置之間傳遞熱量。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于在所述燃料電池的操作停止后，所述存儲步驟持續(xù)比所述輸送步驟更長的持續(xù)時間。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于針對氫存儲容器中所述儲氫材料的壓力和溫度確定所述儲氫材料中存在的氫數(shù)量。
全文摘要
提供了一種使用氫作為反應(yīng)物的燃料電池的氫輸送系統(tǒng)。流體存儲容器容納可逆地釋放并存儲氫氣的儲氫材料。釋放的氫氣輸出流體存儲容器，由流體加壓裝置加壓，并隨后儲存在壓載容器中。氫氣作為反應(yīng)物以大于或等于燃料電池的操作壓力的壓力從壓載容器輸送到燃料電池。進(jìn)一步公開了上述氫輸送系統(tǒng)的變型，以及向燃料電池輸送氫的方法。
文檔編號C01B3/04GK101068746SQ200580033253
公開日2007年11月7日 申請日期2005年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月3日
發(fā)明者F·E·平克爾頓, G·P·梅斯納, M·P·巴洛夫, M·S·邁爾 申請人:通用汽車公司