專利名稱：燃料電池的聚合物膜的增濕作用的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體而言涉及燃料電池在汽車中的應用。
背景技術(shù)：
眾所周知，燃料電池能夠通過氫(燃料)與氧(助燃氣體)之間在電化學上的氧化還原反應直接產(chǎn)生電能，而無需經(jīng)過轉(zhuǎn)化成機械能的步驟。該技術(shù)看上去有希望特別用于汽車應用領(lǐng)域。燃料電池通常包括串聯(lián)的均主要由被電解質(zhì)分隔的陽極及陰極組成的單位單元(unitaryelements)的聯(lián)合體。
一種適合于汽車應用領(lǐng)域的電解質(zhì)是固體電解質(zhì)，其主要由允許離子在陽極和陰極之間通過的聚合物膜組成。該膜的一種特殊類型例如是DuPont公司以商品名“Nafion”提供的。這些薄膜必須具有良好的離子導電性，因為它們允許質(zhì)子氫穿過，而且它們必須電絕緣從而使電子由電池外部的電路中通過。對于上述類型的膜以及其他用作燃料電池中的固體電解質(zhì)的膜，已知膜的導電性隨其水含量而變化。因此，送入電池的氣體必須含有足夠的水份。
對于燃料，可以使用氫氣供應，或者所需氫氣是在燃料電池附近通過本身例如用烴類物質(zhì)供應的轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的。對于可燃氣體，用壓縮的大氣空氣供應給燃料電池并從電池下游排出氧含量降低的過量氣體，或者用純氧供應燃料電池。
在正常運行期間，燃料電池消耗氫(燃料)和氧(可燃氣體，由周圍空氣或以純氧的形式供應)。燃料電池是陽極反應側(cè)，該反應使氫氣(H2)轉(zhuǎn)化成穿過聚合物膜的質(zhì)子氫(2H+)以及在外部回路中循環(huán)的電子(2e-)。燃料電池同時是陰極反應側(cè)，該反應使質(zhì)子氫(2H+)、電子(2e-)與氧(1/2 O2)結(jié)合生成水(H2O)。因此，燃料電池基本上在陰極氣體(氧)回路中連續(xù)地產(chǎn)生水，水的量與由連接電池的電負載吸收的電流成正比。因此，陰極側(cè)的氣體迅速對水飽和，甚至過飽和(即除了氣態(tài)水以外，還包含液態(tài)水)。
US2002/0175010號美國專利申請指出，由電池產(chǎn)生的水通常用于確保陰極側(cè)和陽極側(cè)的聚合物膜的增濕作用。對于陽極側(cè)的膜的增濕作用而言，即在氫氣循環(huán)中，特別建議利用透水膜，其一個表面與對水飽和的空氣接觸，而另一個表面與氫氣接觸。然而，除了復合體，無法真正地調(diào)節(jié)氣體中的水含量。
JP2004/079251號專利申請描述了在電解槽或轉(zhuǎn)化器內(nèi)生成的氫氣的除濕作用。待除濕的氫氣并非來自于循環(huán)。建議通過將來自除濕器的除濕氫氣與未通過除濕器的在旁路回路中循環(huán)的非常潮濕的氫氣加以混合而控制氫氣的增濕作用，利用上述旁路回路中的比例閥控制后一種流。
EP1389806號專利申請描述了一種具有固體聚合物電解質(zhì)的燃料電池，其具有特殊排列的電池內(nèi)部導管，從而改進電池中的水保持區(qū)域，以控制增濕作用。JP09/180743號專利申請建議通過調(diào)節(jié)水分離器的溫度來控制水含量。所有這些文獻均指出對具有固體聚合物電解質(zhì)的電池實施增濕的問題，但是均未建議在所有情況下均確保對聚合物電解質(zhì)膜進行正確地增濕的可靠且準確的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠最優(yōu)化送入燃料電池的氣體的水含量的裝置，其電解質(zhì)使燃料電池具有在預定的增濕條件下以最優(yōu)化的方式運行的特性。在此情況下，已知在現(xiàn)有電解質(zhì)中的一類主要由固體聚合物膜組成的電解質(zhì)。
本發(fā)明提供一種發(fā)電系統(tǒng)，其包括- 燃料電池，其包括多個均具有在固體電解質(zhì)的各側(cè)上的陽極及陰極的、具有在預定的增濕條件下以最優(yōu)化的方式運行的特性的獨立的電池，該燃料電池在陽極側(cè)具有燃料氣體輸送回路，而在陰極側(cè)具有可燃氣體輸送回路；-燃料氣體或可燃氣體之一的至少一個循環(huán)回路，其循環(huán)未被燃料電池消耗的氣體，該循環(huán)回路包括能夠?qū)⑽聪牡臍怏w中所含的水從此除去的除濕器，該循環(huán)回路收集位于該燃料電池下游的潮濕氣體，使該潮濕氣體通過該除濕器，并在經(jīng)除濕的氣體通過該除濕器之后將該氣體送回位于該燃料電池上游的輸送回路中；其特征在于，所述循環(huán)回路包括以平行于該除濕器的方式安裝的直接回路，該直接回路提取一部分位于該燃料電池下游的潮濕氣體，并將該潮濕氣體送入該輸送回路而不通過該除濕器，該系統(tǒng)包括用于控制潮濕氣體與送回電池上游的經(jīng)除濕的氣體之間的比例的計量裝置。
說明書下面參考附圖詳細地闡述本發(fā)明的所有方面。


圖1所示為安裝在裝配有燃料電池的汽車中的冷卻回路。
具體實施例方式
圖1所示為具有聚合物膜形式的電解質(zhì)的類型(即PEFC-聚合物電解質(zhì)燃料電池-類型)的燃料電池1。然而本發(fā)明可以應用于具有在受控制的氣體增濕條件下以最優(yōu)化的方式運行的特性的燃料電池的任何電解質(zhì)。
用兩種氣體，即燃料氣體(例如氫氣)及可燃氣體(來自空氣或壓縮氧氣罐的氧氣)，供應電池，將它們送入電化學電池的電極。為了簡化，圖1僅示出兩種氣體回路中的一種，即陰極側(cè)的氣體回路，其在此情況下是氧氣回路(參見圖中的O2輸送裝置)。顯然應當理解，相同的配置可用于氫氣側(cè)。說明書下面涉及可燃氣體的循環(huán)回路，即陰極側(cè)的回路，而不以任何方式加以限制。
附圖所示為通過進氣管11與電池相連的氧氣罐2，其在與燃料電池1的入口相連之前通過不同的元件。該進氣管11首先通過截止閥11v，若需要通過其他閥門(未示出)。顯然氧氣回路形成循環(huán)，因為通過電池的氣流大于被消耗的量，而且未被電池消耗的流被循環(huán)。為此目的，輸送回路11由噴射器4中通過。然后，存在一個例如由旋風式分離器組成的水分離器5，即能夠通過離心作用將液態(tài)水與氣體分離的裝置。在該旋風式分離器5的下部出口處，管道19使液態(tài)水通過燃料電池1的下游，在此重新與燃料電池1的氣體的出口管12匯合。最終，輸送回路11與燃料電池1的陰極回路的進料口相連。
在燃料電池1的出口處，出口管12可以延伸至除濕器3。氧氣回路的洗滌裝置以旁路的方式與出口管12相連，并且由洗滌閥12v加以控制。除濕器3主要由通過重力收集由氣體夾帶的液態(tài)水的接收器組成。在截止閥11v之后，氧氣輸送回路通過排列在除濕器3內(nèi)部的螺旋盤管11s，這主要是用于在氧氣膨脹之后再次加熱氧氣。此外，其用于冷凝存在于蒸汽狀氣體中的水，這提高了除濕器3的效率。
水位探測器31安裝在除濕器3內(nèi)部，排水管向下延伸至除濕器3的底部。通過燃料電池的氧氣回路中的壓力的作用去除水，該壓力作用于接收器內(nèi)的水的表面從而將水壓入排水管。通過排水閥32v控制被擠壓的水的量。
受控返回管13一側(cè)與除濕器3的上部相連，另一側(cè)與噴射器4相連。泵63安裝在該返回管13內(nèi)。被動返回管14一側(cè)與除濕器3的上部相連，另一側(cè)與噴射器4相連。因此，該被動返回管14以與受控返回管13相平行的方式相連。不包括用于主動控制流的泵或其他裝置。包括單向閥14A。通過它的流在噴射器4中發(fā)生Venturi效應。
直接回路15從除濕器3的旁邊經(jīng)過?？梢钥闯?，該回路一側(cè)與除濕器3上游的出口管12相連，另一側(cè)在泵63之后且噴射器4之前的返回管13處終止。該直接回路15包括泵65。
因此，該循環(huán)回路包括出口管12、受控返回管13、被動返回管14、直接回路15以及安裝在這些管及回路中的元件，特別是泵63及65，以及除濕器3。受控返回管13及被動返回管14組成干燥氣體的循環(huán)回路。該直接回路15是潮濕氣體的循環(huán)回路。
控制單元7能夠控制該利用燃料電池1的發(fā)電系統(tǒng)的各個元件。用于干燥氣體與循環(huán)的潮濕氣體的比例的計量裝置包括能夠選擇性地控制泵63及65的運行情況的所述控制單元7。
為此目的，該控制單元利用來自各個傳感器的信息，例如燃料電池1的溫度傳感器71、由電池輸出的電功率和/或燃料電池組中各個單獨的電池或者這些電池中的至少一部分的電壓的指示器72、由安裝在電池1的入口處的濕度傳感器74測量的濕度水平、電池入口處的氧氣溫度、除濕器3的壁的溫度、冷卻水的溫度等。該控制單元7能夠控制截止閥11v，或者能夠根據(jù)輸出的電功率調(diào)節(jié)氧氣輸送壓力的閥門，或者控制例如偶爾對氣體實施短暫洗滌的洗滌閥12v，從而不積聚導致電池效率降低的惰性氣體。該控制單元7還可以在除濕器3中的水位達到由水位探測器31探測的最大值時，以預定的時間，例如約零點幾秒，打開排水閥32v，從而允許排放一部分水?；蛘哌x擇性地可以借助于最低水位探測器進行控制。
對于上文中提及的計量裝置，在特別的具體實施方案中，它們實際上包括兩個泵63及65，一個(65)安裝在直接回路中，而另一個(63)安裝在位于除濕器下游的循環(huán)回路中，還包括能夠控制所述泵63及65的運行情況的控制單元7，其可能經(jīng)驗性地選擇性考慮了由于噴射器4中的Venturi效應而循環(huán)的氣流，從而正確地確定直接通過該直接回路15循環(huán)的潮濕氣體與經(jīng)過除濕器3循環(huán)的干燥氣體之間的比例?？刂茊卧?優(yōu)選選擇性地以濕度傳感器74傳輸?shù)臄?shù)值的函數(shù)的方式控制泵63及65的運行情況。
特別地，在啟動階段，若燃料電池1仍是冷的，則控制單元7向同樣安裝在交通工具上的能量管理單元發(fā)送指令，以限制取自燃料電池1的功率，而在電池發(fā)熱階段，通過直接控制泵65而不控制泵63以使氣體循環(huán)。
來自儲存罐2的氣體通常是冷的(因為經(jīng)過相當大的膨脹，雖然在除濕器3內(nèi)被加熱)且干燥的。將該冷氣體與循環(huán)的氣體混合，能夠使溫度和濕度提高至足夠的水平，而無需外部能量的輸入。實際上，直接來自燃料電池1及在出口管12中循環(huán)的氣體是熱的，并且被水蒸汽飽和，或者甚至過飽和。在除濕器3中除去水。則在返回管13中循環(huán)的氣體是較冷的?？紤]到燃料電池1中的主要條件(冷啟動，全功率等)，控制單元7可以控制泵65(“潮濕”循環(huán)器)以適應熱氣體的循環(huán)而不產(chǎn)生小液滴，或者控制泵63(“干燥”循環(huán)器)以適應不太熱且更干燥的氣體的循環(huán)，并且可以形成這兩類氣體之間的任意比例。因此，可以獲得輸送至燃料電池1的增濕氣體的最優(yōu)化的混合物。
在某些運行階段中，兩臺泵均可以停止，并且可以借助于由噴射器的壓力產(chǎn)生的Venturi效應實施循環(huán)，這具有節(jié)約能源的優(yōu)點。應注意的是，噴射器并非實現(xiàn)本發(fā)明所必需的。在更簡單的應用中，噴射器可以被省略，而被簡單的連接所代替，而且被動返回管14可被省略。受控返回管13以及直接回路15連同它們各自的泵63及65，能夠控制干燥氣體與潮濕氣體的比例。
作為可燃氣體回路的一種改變的實施方案，可以輸送氧氣與至少一種諸如30％氮氣的中性氣體的混合物。然而在此描述的申請使用在壓力下儲存的純氧。該方案的優(yōu)點在于，特別是電池更加動態(tài)地響應對電流的消耗，這對于諸如汽車的交通工具中的應用是特別有利的，人們已知這些交通工具必須在特別的間歇式運行條件下運行，這與靜態(tài)應用不同。用可提及的純氧輸送燃料電池的其他優(yōu)點是，效率及功率密度更優(yōu)。此外，對于增濕作用而言，與壓縮空氣相比，使用純氧能夠更有效地運行。實際上，對于電池所用的等量的氧，若輸送僅含約21％氧的空氣，則電池產(chǎn)生的等量的水會被引入相當大體積的氣體中。為了達到相同的氣體濕度水平，必須蒸發(fā)掉約5倍的水。
權(quán)利要求
1.發(fā)電系統(tǒng)，其包括-燃料電池(1)，其包括多個均具有在固體電解質(zhì)的各側(cè)上的陽極及陰極的、具有在預定的增濕條件下以最優(yōu)化的方式運行的特性的獨立的電池，該燃料電池在陽極側(cè)具有燃料氣體輸送回路(11)，而在陰極側(cè)具有可燃氣體輸送回路；-用于燃料氣體或可燃氣體之一的至少一個循環(huán)回路，其循環(huán)未被該燃料電池消耗的氣體，所述循環(huán)回路包括能夠除去未被消耗的氣體中所含的水的除濕器(3)，該循環(huán)回路收集位于該燃料電池下游的潮濕氣體，使該潮濕氣體通向該除濕器，并在經(jīng)除濕的氣體已由該除濕器中通過之后將該氣體通入位于該燃料電池上游的所述輸送回路(11)中；其特征在于，所述循環(huán)回路包括具有泵(63)的受控返回管(13)，該受控返回管(13)安裝在所述除濕器(3)的下游，所述循環(huán)回路還包括以平行于所述除濕器的方式安裝的直接回路(15)，所述直接回路(15)具有泵(65)，所述直接回路(15)提取位于該燃料電池下游的潮濕氣體，并將該潮濕氣體送入所述輸送回路(11)中而不由所述除濕器(3)中通過，該系統(tǒng)包括用于控制所述潮濕氣體與所述送回該燃料電池上游的經(jīng)除濕的氣體之間的比例的計量裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述循環(huán)回路包括以與所述受控返回管(13)相平行的方式安裝的被動返回管(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述循環(huán)回路通向安裝在所述氣體輸送回路中的噴射器(4)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述計量裝置包括能夠選擇性地控制所述泵(63及65)的運行情況的控制單元(7)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述控制單元(7)選擇性地以濕度傳感器(74)傳輸?shù)臄?shù)值的函數(shù)的方式控制所述泵(63及65)的運行情況。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其包括在所述可燃氣體回路中的循環(huán)回路。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述可燃氣體回路是純氧輸送回路。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述可燃氣體回路是輸送由純氧及至少一種中性氣體組成的混合物的回路。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其中所述燃料電池是具有聚合物膜的類型。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其用于汽車。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)，其包括燃料電池(1)，其包括多個均具有在固體電解質(zhì)的各側(cè)上的陽極及陰極的獨立的電池，該燃料電池在陽極側(cè)具有燃料氣體輸送回路(11)，而在陰極側(cè)具有可燃氣體輸送回路；燃料氣體或可燃氣體之一的循環(huán)未被燃料電池消耗的氣體的至少一個循環(huán)回路(12及13)，該循環(huán)回路包括除濕器(3)，該循環(huán)回路收集潮濕氣體，使該潮濕氣體通過該除濕器，并將經(jīng)除濕的氣體送回輸送回路(11)中；其特征在于，所述循環(huán)回路包括直接回路(15)，其提取一部分位于該燃料電池下游的潮濕氣體，并將該潮濕氣體送入該輸送回路(11)而不通過該除濕器(3)，該系統(tǒng)包括用于控制潮濕氣體與經(jīng)除濕的氣體之間的比例的計量裝置。
文檔編號H01M8/10GK101023547SQ200580024603
公開日2007年8月22日 申請日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月20日
發(fā)明者垅田日則 申請人:米其林構(gòu)思與開發(fā)公司, 保羅·謝爾研究所