專利名稱：使用不同熱容的氫化物的燃料電池在低溫下運(yùn)行的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及燃料電池，以及調(diào)節(jié)燃料電池的溫度以使其能夠在低溫環(huán)境中工作的系統(tǒng)和方法。
電解質(zhì)中離子的導(dǎo)電性是決定燃料電池效率和使用環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)。對固體聚合電解膜(PEM)燃料電池的情況，由于水分子被包含在通過電解質(zhì)傳送氫離子的過程中，電解膜的離子導(dǎo)電性取決于膜的水化作用水平。典型地，燃料電池在充分水化時(shí)，特別是在室溫下水飽和的條件下工作得很好。當(dāng)電池的溫度以及(進(jìn)一步)電極溫度在室溫之下大大降低時(shí)，燃料電池的性能惡化。這種對電解質(zhì)中水含量的依賴限制了燃料電池在冰點(diǎn)溫度之下的工作。在此低溫下，電解質(zhì)中離子的活力被嚴(yán)重削弱，因此燃料電池系統(tǒng)的輸出下降。因此，對于PEM燃料電池系統(tǒng)在寒冷環(huán)境中的實(shí)際工作，需要附加機(jī)制將燃料電池的溫度提高并保持在周圍環(huán)境的溫度之上。
現(xiàn)有技術(shù)中，一些尋求解決這個問題的方法包括在燃料電池系統(tǒng)上附加加熱器、接觸反應(yīng)爐、絕熱層或二級能源，在低溫環(huán)境中啟動之前提高燃料電池的溫度。例如，Hamada等(美國專利5,314,762)介紹了一種與燃料電池一起使用、對燃料電池進(jìn)行預(yù)熱的接觸反應(yīng)爐的應(yīng)用。其他的例如Cargnelli等(美國專利5,753,383)描述了一種用于低溫環(huán)境工作的燃料電池系統(tǒng)，它包括一個接觸反應(yīng)爐和一個熱電元件。盡管現(xiàn)有技術(shù)解決了低溫燃料電池工作的問題，但它們在降低了燃料電池系統(tǒng)的效率的同時(shí)還增加了復(fù)雜性及成本。
圖2圖示了一種選定的金屬氫化物材料的靜態(tài)吸收-釋放等溫線。
圖3表示不同氫化物的van’t Hoff釋放圖。
圖4描述了兩種氫化物的van’t Hoff釋放圖以及它們在熱泵中的排列示意圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的過程流程圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的溫度調(diào)節(jié)方法示意圖。
圖7為本發(fā)明另一個實(shí)施例的示意圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明公開了一種使用不同熱容的燃料存儲介質(zhì)的燃料電池進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的設(shè)備和方法。調(diào)節(jié)溫度的方法包括測量一個或多個燃料電池的溫度，將測得溫度與目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果從一系列可用控制方法中選擇一種控制方法，使用選定的控制方法來起動并控制一個調(diào)溫周期，啟動一種流量控制裝置來改變一個或多個燃料存儲容器之間的燃料流量，其中，每個容器內(nèi)裝有燃料存儲介質(zhì)，它們在形成與分解過程中表現(xiàn)出不同的熱含量。
如

圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明的第一個實(shí)施例的調(diào)節(jié)燃料電池溫度的典型流程圖，其中矩形框代表過程中的結(jié)構(gòu)實(shí)體，圓角框代表用于實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)實(shí)體的過程步驟?，F(xiàn)在參見圖1，調(diào)節(jié)過程起始于對燃料電池系統(tǒng)100進(jìn)行測溫110。為正確完成這個任務(wù)，典型的測量手段是熱電偶、熱敏電阻、電阻器、RTD、紅外傳感器及二極管。盡管優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)列出一些較為常用的溫度測量方法，本發(fā)明不必限于使用這些方法。在優(yōu)選實(shí)施例中介紹的結(jié)構(gòu)中，可以使用任何溫度測量方法。然后溫度與預(yù)定的一系列理想目標(biāo)值進(jìn)行比較120，這些值設(shè)計(jì)為令燃料電池提供最高的性能。比較的目的是評估燃料電池的觀測溫度與理想的或“最優(yōu)的”工作條件相差多大。
在比較步驟120之后，從可用控制方法列表中選擇一種控制方法130?？刂品椒ㄖ泻斜匾膮?shù)和邏輯，以定義燃料流量初始化過程140，并依次開動流量控制裝置150。在控制方法中定義的一些關(guān)鍵參數(shù)包括在第一和第二燃料儲存容器間流動的距離和流速、在兩個容器間流動的方向與持續(xù)時(shí)間，以及流入目標(biāo)燃料電池的燃料流量。流量控制裝置150的啟動改變了一個或多個燃料電池的溫度，并改變了它的工作參數(shù)160。
圖2示意了由一種金屬氫化物假設(shè)為LaNi4.7Al0.3吸收氫的等溫線圖。當(dāng)氫氣(H2)與金屬(M)表面接觸時(shí)，多數(shù)金屬將吸收氫。在這個階段，氫以溶解在金屬中的方式存在。吸收過程可以記為MMH2。使用雙向箭頭意味著反應(yīng)可以在兩個方向上發(fā)生。氫氣的壓力決定了反應(yīng)的方向。在高的起始壓力下，氫氣進(jìn)入金屬。經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到平衡，氫氣進(jìn)入金屬的速率與離開金屬的相同。如果氫氣壓力下降，氫氣將從金屬流出，進(jìn)入周圍環(huán)境。如果該環(huán)境是一個密封容器，壓力將最終增大到再次達(dá)到平衡的點(diǎn)。這種簡單的吸收氫的過程與壓力成線性關(guān)系，用吸收等溫線中向上陡峭傾斜的線性部分210表示。在金屬氫化物系統(tǒng)中，一旦超過一個特定壓力(如圖2中A所示)，氫氣(H2)被金屬表面吸收，并分裂為氫原子(H)，進(jìn)入晶格的空隙點(diǎn)內(nèi)。在這個第二個階段中，對應(yīng)于圖中接近水平的部分220，氫原子可以被加入金屬，而不會引起相應(yīng)的壓力增加，或增加得最小。這個平穩(wěn)區(qū)間220表示兩相的平衡區(qū)間。在全部空隙點(diǎn)被填滿時(shí)，氫金屬比(H/M)達(dá)到飽和值。在這個點(diǎn)(如圖2中B所示)，不能在向金屬晶格中加入額外的氫，繼續(xù)增加氫氣將引起相應(yīng)的壓力增加，用圖2中向上陡峭傾斜的線性部分230表示。整個過程是可逆的，具有某種程度的滯后，而且過程依賴于溫度。圖2中畫出同一種氫化金屬材料在三個選定溫度下的曲線族。在給定的溫度下，每種特定的氫化物具有一個特定的平衡壓力。這種關(guān)系首次被van’t Hoff記錄，并用關(guān)系式ln(P)＝A-B/T表示，式中P為氫氣壓力，A和B為圖2中標(biāo)注的拐點(diǎn)，T為壓力。
圖3表示多種金屬氫化物的一系列van’t Hoff圖。由于氫化物的形成為放熱過程而分解為吸熱過程，氫氣可以在兩種不同的氫化物中轉(zhuǎn)移，氫化物處于兩相平衡狀態(tài)中的一種，使得一個系統(tǒng)獲得熱量而另一個釋放熱量。這是氫化物熱泵的基本原理。Balk的美國專利5,862,855中介紹了一種金屬氫化物熱泵的使用，在此將其作為參考。為了繼續(xù)說明我們的發(fā)明如何幫助燃料電池在寒冷的環(huán)境條件中啟動，現(xiàn)在描述一個示例。圖4表示兩種不同金屬氫化物的van’t Hoff圖，氫化物410與氫化物420。每種氫化物都處于它們的兩相平衡狀態(tài)。例如，氫化物410可以為FeTiH，氫化物420可以為LaNi5H3。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到冰點(diǎn)(T＝0℃)，氫化物410達(dá)到的平衡點(diǎn)壓力約為2atm.，而氫化物420達(dá)到的平衡點(diǎn)約為0.5atm.(低于室溫)。在起始階段，開動流量控制裝置150，允許氫氣從第一燃料存儲容器中的氫化物410流入裝有氫化物420的第二燃料存儲容器(部分氫氣作為反應(yīng)的燃料，還被送入燃料電池)。這個作用用箭頭430表示。由于氫化物420與燃料電池處于熱平衡(T＝0℃)，由于吸收氫氣使得溫度上升，如箭頭440表示。當(dāng)氫化物420的溫度達(dá)到或超過燃料電池的工作溫度時(shí)，流量控制裝置關(guān)閉，然后，燃料電池利用它自身產(chǎn)生的熱量以及從裝有氫化物410的第一個燃料存儲容器流出的燃料，在合適的溫度下工作。一旦燃料電池工作于適當(dāng)?shù)臏囟龋剂想姵禺a(chǎn)生的廢熱將保持氫化物的工作溫度。然后運(yùn)行流量控制裝置150，使得燃料電池利用氫化物420提供的氫氣工作。工作一直持續(xù)，直到壓力下降至氫化物420稍微超出兩相平衡階段，并為下一次啟動做好準(zhǔn)備。然后系統(tǒng)可以專用從氫化物410中釋放的氫氣推動運(yùn)行，直至耗盡。
盡管優(yōu)選實(shí)施例中敘述了兩種金屬氫化物的使用，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，其它在存儲(放熱)和釋放(吸熱)氫的過程中展現(xiàn)出熱含量變化的材料也可以用于實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)備，例如單層碳納米管、化學(xué)氫化物或有機(jī)氫化物。
性能管理方法的第二個實(shí)施例如圖5所示，它使用了具有一個反饋回路570的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中，作為啟動流量控制裝置的結(jié)果，工作參數(shù)的改變被反饋至選擇控制方法的步驟中。選定的控制方法的參數(shù)和邏輯根據(jù)反饋信息進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。這個經(jīng)修正的控制方法用于修正流量控制啟動過程，然后第二次啟動流量控制裝置。按照需要，這個反饋及修正過程反復(fù)執(zhí)行。
實(shí)現(xiàn)上述溫度調(diào)節(jié)方法的設(shè)備包括由兩種吸收氫的材料構(gòu)成的熱泵，以及一個或多個燃料電池。熱泵使用燃料電池產(chǎn)生的廢熱而得到再生。在熱泵中使用氫化物是本領(lǐng)域中為人熟知的技術(shù)。圖6表示一種用于實(shí)現(xiàn)燃料電池溫度調(diào)節(jié)方法的裝置的示意圖。設(shè)備600包括一個或多個燃料電池610，第一燃料存儲容器620，第二燃料存儲容器630，在第一和第二燃料存儲容器之間的流量控制裝置640，在燃料電池與第二燃料存儲容器之間的流量控制裝置645，以及一個控制部件650。燃料電池與第二燃料存儲容器630之間有熱接觸615。熱接觸可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)，例如一個或多個燃料電池與第二燃料存儲容器間的直接熱接觸，通過在一個或多個燃料電池與燃料存儲容器間放置熱導(dǎo)體介質(zhì)形成熱接觸，或者對流裝置，例如在一個或多個燃料電池與燃料存儲容器的主表面上放置鋼片。在優(yōu)選施例中，通過在一個或多個燃料電池與燃料存儲容器間放置熱導(dǎo)體介質(zhì)形成熱接觸。流量控制裝置660，例如，金屬或塑料管路將一個或多個燃料電池、第一燃料存儲容器與第二燃料存儲容器連接起來。兩個存儲容器之間的燃料流量用流量閥的工作控制，它可以調(diào)節(jié)從兩個燃料存儲容器通向燃料電池的氫氣的數(shù)量。依次地，閥門的工作由控制部件650控制。燃料電池上附著有一個或多個溫度傳感器670，用來測量燃料電池的溫度。每個燃料電池使用的溫度傳感器數(shù)目，以及它們在燃料電池上的位置，可以根據(jù)目標(biāo)工作環(huán)境及燃料電池的設(shè)計(jì)而定制。由于溫度測量技術(shù)為人熟知，本領(lǐng)域熟悉技術(shù)的人可以設(shè)計(jì)出許多不同的溫度傳感器方案。溫度傳感器連接至控制部件650，使得電池溫度可以被控制部件監(jiān)測。
在所述裝置的優(yōu)選施例中，將金屬氫化物用作燃料存儲容器內(nèi)的燃料存儲介質(zhì)，將氫氣用作燃料。一旦過程啟動，流量控制裝置640允許氫氣沿路徑680從第一燃料存儲容器620向燃料存儲容器630流動。起初，燃料存儲容器630與燃料電池610間的流量控制裝置645關(guān)閉，使得燃料存儲容器630內(nèi)的氫化物介質(zhì)吸收來自燃料存儲容器620的氫氣。由于氫氣的釋放是吸熱過程，燃料存儲容器620冷卻，由于燃料存儲容器620內(nèi)的氫化物介質(zhì)吸收氫氣是放熱過程，燃料存儲容器630的溫度升高。由于燃料存儲容器630與燃料電池?zé)狁詈?，熱量從燃料存儲容?30向初始為冷卻的電池610輸送。在燃料電池被加熱后，燃料存儲容器630與燃料電池610間的流量控制裝置645被打開，打開流量通道685，氫氣流入燃料電池。一旦燃料電池的溫度達(dá)到預(yù)先確定的設(shè)定點(diǎn)，控制部件650關(guān)閉流入燃料存儲容器630的氫氣流，并打開第一燃料存儲容器620與燃料電池610之間的流量通道690。這是系統(tǒng)的正常工作模式。當(dāng)燃料電池的溫度升高到燃料存儲容器630內(nèi)的氫化物介質(zhì)的裂解溫度之上時(shí)，從氫化物630中產(chǎn)生氫氣并可以被燃料電池利用?？刂撇考_啟并關(guān)閉流量通道680、685和690，其作用是調(diào)節(jié)燃料電池的溫度，并在工作過程中不同的時(shí)間從燃料存儲容器620和630之中選擇一個作為系統(tǒng)氫氣來源。由于第二燃料存儲容器630主要用作燃料電池在寒冷環(huán)境中啟動的加熱源，它的尺寸可以大大小于用作主燃料提供源的第一燃料存儲容器620。并且，用在容器620內(nèi)的金屬氫化物是使氫氣的存儲達(dá)到最優(yōu)，而容器630內(nèi)的氫化物使得用于使燃料電池能夠?qū)崿F(xiàn)快速低溫啟動的氫氣吸收過程達(dá)到最優(yōu)。
圖7示意了發(fā)明的另一個實(shí)施例，其中在燃料電池的啟動中使用了兩個氫氣源。第一氫氣源720，例如金屬氫化物容器、碳納米管或壓縮氫氣源提供燃料電池710工作需要的絕大部分燃料。更小的第二氫氣源730連接到第一氫氣源720上，它是一種在裂解中展現(xiàn)熱含量變化的金屬氫化物。通過一個三路閥門740以及適當(dāng)連接的氣體管路760，兩個氫氣源720、730與燃料電池710連接。在啟動階段，所有部件都在大約相同的溫度上，第一氫氣源720的壓力高于第二氫氣源730的壓力，當(dāng)閥門740打開，氫氣從第一來源720流入第二來源730。可選地，它還可以流入燃料電池710。進(jìn)入第二氫氣源730的氫氣被進(jìn)行放熱反應(yīng)的金屬氫化物吸收，放熱反應(yīng)產(chǎn)生的部分或者全部熱量被輸入燃料電池710，它與第二氫氣源保持熱接觸。消除了從金屬氫化物產(chǎn)生的熱，使得放熱反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，則有更多的氫氣流入第二來源。當(dāng)燃料電池供能(即開始提供電能)時(shí)，它也產(chǎn)生廢熱，被輸送回第二氫氣源730。通過恰當(dāng)?shù)嘏渲萌烽y門730和兩個氫氣源720、730的尺寸，無需運(yùn)行傳感器和控制器，就可以使系統(tǒng)在工作中達(dá)到平衡。
盡管優(yōu)選實(shí)施例中介紹了兩個容器的使用方法，其中裝有具有不同吸收/釋放特性的金屬氫化物，還可以使用多于兩個裝有具有不同吸收/釋放特性的金屬氫化物的容器來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。本發(fā)明使燃料電池可以在低溫環(huán)境中啟動并工作。通過在工作狀態(tài)中正確地管理燃料電池的溫度，還增強(qiáng)了燃料電池的性能。這些結(jié)果是通過使用具有不同熱容的不同燃料存儲介質(zhì)獲得的，這些介質(zhì)用于燃料電池使用的燃料。這種利用燃料存儲材料的內(nèi)在不同屬性的方法，消除了現(xiàn)有技術(shù)方案遇到的問題，方案中需要在燃料電池系統(tǒng)中附加加熱器、接觸反應(yīng)爐、絕熱層或二級能源，以在啟動前升高燃料電池的溫度。因此，本發(fā)明提供了管理燃料電池在低溫下運(yùn)行的方法和裝置，它克服了現(xiàn)有技術(shù)中這類常規(guī)方法和裝置的缺點(diǎn)。這個新的溫度調(diào)節(jié)方法易于實(shí)現(xiàn)和控制。
盡管已經(jīng)圖示并介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，需要明確的是發(fā)明沒有受到限制，希望所提供的權(quán)利要求覆蓋落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的其他等效技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種在寒冷環(huán)境中使用的燃料電池，使用了兩個氫氣源，每個具有不同的熱容，包括第一氫氣存儲裝置，在溫度T具有第一平衡壓力；第二氫氣存儲裝置，在溫度T具有第二平衡壓力；一種流量控制裝置，用于調(diào)節(jié)第一氫氣存儲裝置、第二氫氣存儲裝置與燃料電池間的氫氣流量；與第二氫氣存儲裝置直接熱連接的一部分燃料電池；而且其中所述第一平衡壓力比所述第二平衡壓力大。
2.一種在寒冷環(huán)境中使用的燃料電池，使用了兩種金屬氫化物，每個具有不同的熱容，包括包含在溫度T具有第一平衡壓力的金屬氫化物的第一存儲容器；包含在溫度T具有第二平衡壓力的金屬氫化物的第二存儲容器；流量控制裝置，用于調(diào)節(jié)第一存儲容器、第二存儲容器與燃料電池間的氫氣流量；與第二存儲容器直接熱連接的燃料電池；而且其中所述第一平衡壓力比所述第二平衡壓力大。
3.一種是燃料電池在寒冷環(huán)境中工作的方法，包括感應(yīng)燃料電池的溫度，將感應(yīng)到的溫度與一系列預(yù)先確定的參數(shù)進(jìn)行比較；作為比較步驟的結(jié)果，啟動流量控制裝置，將氫氣從第一氫氣存儲裝置中釋放到裝有金屬氫化物的第二氫氣存儲裝置，啟動金屬氫化物中的放熱反應(yīng)，充分提高第二氫氣存儲裝置的溫度，并充分提高燃料電池的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3敘述的方法，進(jìn)一步包括在燃料電池工作期間，將燃料電池產(chǎn)生的熱量輸送給第二氫氣存儲裝置，以使氫氣從金屬氫化物中釋放。
5.根據(jù)權(quán)利要求3敘述的方法，在釋放步驟之后，進(jìn)一步包括啟動流量控制裝置的第二步驟，其中所述流量控制裝置終止了氫氣從第一氫氣存儲裝置向第二氫氣存儲裝置的釋放。
6.根據(jù)權(quán)利要求5敘述的方法，在第二啟動步驟之后，進(jìn)一步包括啟動流量控制裝置的第三步驟，其中氫氣從第二氫氣存儲裝置中輸送給第一氫氣存儲裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求3敘述的方法，其中啟動步驟進(jìn)一步包括，將氫氣從第二氫氣存儲裝置釋放到燃料電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求3敘述的方法，其中啟動步驟進(jìn)一步包括，將氫氣從第一氫氣存儲裝置釋放到燃料電池。
9.一種用于燃料電池工作的方法，包括打開流量控制閥門，將氫氣釋放到燃料電池，并將氫氣從第一氫氣存儲裝置中釋放到裝有金屬氫化物的第二氫氣存儲裝置，啟動金屬氫化物中的放熱反應(yīng)，充分提高第二氫氣存儲裝置的溫度，并充分提高燃料電池的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求3敘述的方法，其中燃料電池工作產(chǎn)生的熱量被輸送到第二氫氣存儲裝置。
全文摘要
公開了一種使用不同熱容的燃料存儲介質(zhì)的燃料電池進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的設(shè)備和方法。調(diào)節(jié)溫度的方法包括測量一個或多個燃料電池的溫度，將測得溫度與目標(biāo)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果從一系列可用控制方法中選擇一種控制方法，使用這種控制方法來起動并控制一個調(diào)溫周期，啟動使用選定控制方法的流量控制裝置來改變一個或多個燃料存儲容器之間的燃料流量，每中包含的燃料存儲介質(zhì)在形成與分解過程中表現(xiàn)出不同的熱含量。調(diào)節(jié)過程起始于對燃料電池系統(tǒng)(100)進(jìn)行測溫(110)。然后溫度與預(yù)定的一系列理想目標(biāo)值進(jìn)行比較(120)，這些值設(shè)計(jì)為令燃料電池提供最高的性能。在比較步驟120之后，從可用控制方法列表中選擇控制方法(130)?？刂品椒ㄖ泻斜匾膮?shù)和邏輯，以定義燃料流量初始化過程(140)，并依次啟動流量控制裝置(150)。流量控制裝置的啟動改變了一個或多個燃料電池的溫度，并改變了它的工作參數(shù)(160)。
文檔編號H01M6/00GK1460307SQ02800851
公開日2003年12月3日 申請日期2002年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月26日
發(fā)明者羅納德J凱利, 史蒂文D·普拉特, 西瓦庫馬爾·穆圖斯瓦米, 羅伯特W·彭尼西 申請人:摩托羅拉公司