有水儲存器的密封冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】系統(tǒng)（10）控制如下項中的至少一個：在陽極流場（28）和陰極流場（36）至少一個內(nèi)的反應(yīng)物流（16A，16B）的壓力、流動通過陽極和/或陰極流場（26，28）的反應(yīng)物流（16A，16B）的流速、通過密封的冷卻劑流場（44）的冷卻劑流體的溫度、以及冷卻劑流體的流速；以便每當(dāng)由燃料電池（20）產(chǎn)生的功率在最大燃料電池功率輸出的大約80%與大約100%之間，水（14）從水儲存器（18A，18B）移動到反應(yīng)物流（16A，16B）中，并且以便每當(dāng)燃料電池功率小于最大功率輸出的大約75%，水（14）從反應(yīng)物流（16A，16B）移動到水儲存器（18A，18B）中。
【專利說明】有水儲存器的密封冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及適合使用在運輸車輛、便攜式發(fā)電設(shè)備中的或用作固定發(fā)電設(shè)備的燃料電池，并且本公開特別地涉及用于控制在通過燃料電池的反應(yīng)物流中相對濕度的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是眾所周知的，并且通常用于從富氫燃料流和含氧氧化劑流中產(chǎn)生電流以為電氣器件供電。燃料電池通常布置在電池組組件中，所述電池組組件具有多個燃料電池，所述多個燃料電池布置有共用歧管和其它部件(例如控制器和閥等)，以形成燃料電池發(fā)電設(shè)備。許多這種發(fā)電設(shè)備利用“膜電極組件”("MEA")，所述“膜電極組件”包括作為電解質(zhì)固定在相對的陽極和陰極催化劑之間的“質(zhì)子交換膜”("PEM")，以及支撐材料。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)的這種燃料電池發(fā)電設(shè)備中，眾所周知的是許多困難與所述設(shè)備的長期運行有關(guān)。特別地，包括冷卻劑系統(tǒng)(所述冷卻劑系統(tǒng)弓I導(dǎo)冷卻劑流體穿過與MEA熱交換的密封的冷卻劑流場，以去除在燃料電池的運行期間產(chǎn)生的熱量)的燃料電池發(fā)電設(shè)備必須通過控制反應(yīng)物氣體的溫度而間接謹(jǐn)慎地控制經(jīng)過MEA附近的反應(yīng)物氣體流的相對濕度。(為了在此的目的，“密封的冷卻劑流場”意味著流體不能在冷卻劑流場和相鄰的燃料電池部件之間通過。)如果相對濕度太高，在電池運行期間在陰極催化劑處產(chǎn)生的水將作為液體而積聚，而不是蒸發(fā)到反應(yīng)物流中。這產(chǎn)生了溢流，其減慢或完全中斷了反應(yīng)物流的流動，并且導(dǎo)致燃料電池運行不良或打斷。
[0004]相反，如果反應(yīng)物流的相對濕度太低，MEA內(nèi)PHM電解質(zhì)中的水分將蒸發(fā)到反應(yīng)物流中，導(dǎo)致干燥PEM。這減緩了質(zhì)子轉(zhuǎn)移通過PEM，繼而干擾了電力產(chǎn)生。干燥PEM還導(dǎo)致PEM惡化，以致氣體反應(yīng)物穿過撕裂或打斷的膜是可能的。這不僅惡化了燃料電池性能，而且引起反應(yīng)物氣體混合的風(fēng)險，其可能導(dǎo)致氣體燃燒。
[0005]因此，存在對于燃料電池發(fā)電設(shè)備具有密封的冷卻劑流場的需要，其有效地維持通過所述設(shè)備的燃料電池的反應(yīng)物流的相對濕度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開針對用于燃料電池發(fā)電設(shè)備以從氧化劑和富氫燃料反應(yīng)物流中產(chǎn)生電流的控制系統(tǒng)。每當(dāng)反應(yīng)物流的相對濕度大于1.00，所述系統(tǒng)控制水移動離開燃料電池內(nèi)的反應(yīng)物流并進(jìn)入水儲存器中。每當(dāng)儲存器充滿，在該點過量水離開電池。(“1.00”的相對濕度意思是用于容納氣態(tài)水的反應(yīng)物流的百分之一百體積被利用。)每當(dāng)反應(yīng)物流的相對濕度小于1.00，所述系統(tǒng)控制水移動離開水儲存器并進(jìn)入燃料電池內(nèi)的反應(yīng)物流和PEM(質(zhì)子交換膜電解質(zhì))中。另外，控制系統(tǒng)使反應(yīng)物流的相對濕度與燃料電池的功率輸出相協(xié)調(diào)。特別地，每當(dāng)由燃料電池產(chǎn)生的功率在燃料電池的最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間，以水蒸氣形式的水從水儲存器移動到反應(yīng)物流中。并且，每當(dāng)由燃料電池產(chǎn)生的功率小于燃料電池的最大功率輸出的大約百分之七十五，水從反應(yīng)物流移動到水儲存器的可利用(空的)體積中。(為了在此之目的，詞“大約”意思是加或減百分之十)。
[0007]控制系統(tǒng)包括至少一個燃料電池，所述至少一個燃料電池包括膜電極組件("MEA")，所述膜電極組件("MEA")具有設(shè)置在陽極催化劑表面和相對的陰極催化劑表面之間的質(zhì)子交換膜("PEM")。陽極流場被限定與陽極催化劑表面并與燃料入口線路流體連通，以引導(dǎo)富氫燃料反應(yīng)物流從與陽極催化劑表面相鄰的燃料入口線路流動，并且作為陽極排出流通過陽極排出裝置離開陽極流場。陰極流場也被限定與陰極催化劑表面和氧化劑源流體連通，以引導(dǎo)氧化劑流從與陰極催化劑相鄰的氧化劑入口線路流動，并且作為陰極排出流通過陰極排出裝置離開陰極流場。
[0008]密封的冷卻劑流場被固定成與陽極和陰極流場中的至少一個為熱交換關(guān)系，以引導(dǎo)來自冷卻劑回路入口的冷卻劑流體通過冷卻劑流場，并通過冷卻劑回路出口離開流場。冷卻劑回路包括冷卻劑回路泵，冷卻劑回路流速控制器，以及用于控制冷卻劑流場內(nèi)冷卻劑流體溫度的冷卻劑回路熱交換器。另外，水儲存器被固定成與陽極流場和陰極流場的至少一個流體連通，并且被固定成與密封的冷卻劑流場流體隔離。水儲存器配置成用于將水移動離開所述儲存器并進(jìn)入到通過所述至少一個的陽極和陰極流場的反應(yīng)物流中，并且用于將水移動離開通過所述至少一個的陽極和陰極流場的反應(yīng)物流并進(jìn)入到所述儲存器中。
[0009]相對濕度傳感器可被固定成與通過陽極流場和陰極流場中至少一個的反應(yīng)物流連通。相對濕度控制器也被固定成在相對濕度傳感器和下列項的至少一個之間連通:固定到燃料入口線路的燃料入口閥、固定到氧化劑入口線路的氧化劑入口閥、固定到氧化劑入口線路的氧化劑吹風(fēng)機(jī)、固定到陽極排出裝置的陽極排出閥、固定到陰極排出裝置的陰極排出閥、冷卻劑回路泵、冷卻劑回路流速控制器、和冷卻劑回路熱交換器。相對濕度傳感器還可以是相對濕度傳感器裝置，其用于確定通過陽極流場和陰極流場中至少一個的反應(yīng)物流的至少一個的相對濕度。因此，相對濕度傳感器裝置可以是用于感測相對濕度的器件，或者可以是能夠執(zhí)行所述功能的任意器件或器件的組合，例如測量燃料電池運行參數(shù)并使用所感測的測量值來計算反應(yīng)物流的至少一個的相對濕度的傳感器。
[0010]所述相對濕度控制器配置成選擇性控制如下項中的至少一個:反應(yīng)物流的壓力、反應(yīng)物流的流速、在密封的冷卻劑流場中的冷卻劑的溫度、流動通過密封的冷卻劑流場的冷卻劑流體的流速；以便每當(dāng)由燃料電池產(chǎn)生的功率在燃料電池最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間，水從水儲存器移動到反應(yīng)物流和PEM中，并且以便在儲存器體積可利用時，每當(dāng)由燃料電池產(chǎn)生的功率小于燃料電池最大功率輸出的大約百分之七十五(75%)，水從反應(yīng)物流或PEM移動到水儲存器中。在可選實施例中，如果在燃料電池最大功率輸出的80%以上運行時儲存器變得耗盡,控制系統(tǒng)可以包括減免(de-rate)功率功能。在優(yōu)選實施例中，水儲存器包括限定在分開的多孔體中或在分開的多孔體附近的微孔，所述分開的多孔體被固定成與陽極和陰極流場的至少一個流體連通。
[0011]在控制系統(tǒng)的運行中，因為由負(fù)載(例如由運輸車輛的電動機(jī))對電力的需求增力口，由燃料電池產(chǎn)生的電流密度增加，并且因此MEA (膜電極組件)中的熱產(chǎn)生增加，這導(dǎo)致MEA中以及流場內(nèi)的溫度上升。此增加的溫度引起反應(yīng)物流內(nèi)的相對濕度下降，這導(dǎo)致容納在水儲存器中的水蒸發(fā)到反應(yīng)物流中從而增加相對濕度。相對濕度控制器配置成維持陽極和陰極流場中至少一個內(nèi)的反應(yīng)物流的相對濕度大于1.00，直到燃料電池的功率輸出達(dá)到燃料電池最大功率輸出的大約百分之七十五。當(dāng)反應(yīng)物流的相對濕度大于1.0O時，由燃料電池產(chǎn)生的水移動到水儲存器中直到其滿，并且過量水在陰極排出流內(nèi)從燃料電池去除。當(dāng)燃料電池的功率輸出增加至最大可能功率輸出的大約百分之八十與百分之一百之間時，溫度增加，并且相對濕度降低，以致容納在水儲存器中的水蒸發(fā)到反應(yīng)物流中。
[0012]容納在水儲存器中的水的這種蒸發(fā)還有助于冷卻儲存器和相鄰的MEA。反應(yīng)物流的較高相對濕度和蒸發(fā)性冷卻還將允許在高電流密度處以較高的冷卻劑離開溫度而操作燃料電池發(fā)電設(shè)備。這將降低對于燃料電池發(fā)電設(shè)備冷卻其自身的寄生功率要求并減小散熱器尺寸。另外，在低電流輸出時在最大相對濕度處操作燃料電池能夠通過改變氧化劑反應(yīng)物流的流速、反應(yīng)物流的壓力等被控制以防止過量水溢流。
[0013]水儲存器限定了足夠的體積以保留充足水，用于在對燃料電池提出預(yù)期的高功率要求期間將反應(yīng)物流的相對濕度維持在1.00或大約1.00。換言之，特別的燃料電池(例如用于運輸車輛的燃料電池，或用于固定發(fā)電設(shè)備的燃料電池)將具有高功率輸出的可預(yù)見持續(xù)時間。由水儲存器限定的水容納體積被構(gòu)造為在這種高功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間期間將反應(yīng)物流的相對濕度維持在1.00或大約1.00。由水儲存器限定的優(yōu)選水容納體積是將反應(yīng)物流的相對濕度維持在1.00或大約1.00達(dá)大約五分鐘的足夠體積。在高功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間之后(例如五分鐘的持續(xù)時間)，控制系統(tǒng)可以發(fā)起減免功能以使燃料電池返回從而在少于燃料電池最大功率輸出的大約百分之七十五(75%)處運行。本控制系統(tǒng)的一個或多個儲存器還通過從反應(yīng)物流場毛細(xì)吸水(wick water)而協(xié)助燃料電池運行,并且總體上使水的去除更容易。本公開還包括操作燃料電池發(fā)電設(shè)備以維持通過發(fā)電設(shè)備燃料電池的反應(yīng)物流的有效相對濕度的方法(如上所述，并在下文更加詳細(xì)地描述)。
[0014]因此，本公開的總體目的是提供用于具有水儲存器的密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
[0015]更加具體的目的是:提供用于具有水儲存器的密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)，其有效維持發(fā)電設(shè)備燃料電池內(nèi)反應(yīng)物流的最佳相對濕度。
[0016]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下面的說明時，用于具有水儲存器的密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的本控制系統(tǒng)的這些和其它目的和優(yōu)點將變得更易于可見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本公開的用于具有水儲存器的密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)的簡化的示意性圖示。
[0018]圖2是圖表，其將離開燃料電池的反應(yīng)物流的相對濕度示出為電壓、電流密度和熱量的函數(shù)。
[0019]圖3是圖表，其示出了響應(yīng)于燃料電池運行溫度增加的圖2圖表中反應(yīng)物流的相對濕度上的變化。
【具體實施方式】
[0020]詳細(xì)地參考附圖，用于具有水儲存器的密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備的控制系統(tǒng)示出在圖1中，并且總體上由附圖標(biāo)記10標(biāo)示。系統(tǒng)10應(yīng)用于燃料電池發(fā)電設(shè)備12以從氧化劑和富氫燃料反應(yīng)物流產(chǎn)生電流。每當(dāng)反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度大于1.00，系統(tǒng)10控制水14移動離開反應(yīng)物流16A，16B并進(jìn)入水儲存器18A，18B中。(相對濕度“1.00”意思是用于容納氣態(tài)水的反應(yīng)物流16A，16B的百分之一百的體積被利用。)。
[0021]每當(dāng)反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度小于1.00，系統(tǒng)10控制水14移動離開水儲存器18A，18B并進(jìn)入反應(yīng)物流16A，16B中。另外，控制系統(tǒng)10使反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度與燃料電池20的功率輸出相協(xié)調(diào)。特別地，每當(dāng)由燃料電池20產(chǎn)生的功率在燃料電池20最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間,水14從水儲存器18A，18B的至少一個移動到反應(yīng)物流16A，16B的至少一個中。并且，每當(dāng)由燃料電池20產(chǎn)生的功率小于燃料電池20的最大功率輸出的大約百分之七十五,水14從反應(yīng)物流16A，16B的至少一個移動到水儲存器18A，18B的至少一個中。(為了在此之目的，詞“大約”意思是加或減百分之五)。在優(yōu)選實施例中，燃料電池20將配置成使得在其運行時間的50%期間，并且優(yōu)選地在其運行時間的75%期間，水14從反應(yīng)物流16A，16B的至少一個移動到水儲存器18A，18B的至少一個中。控制系統(tǒng)10和燃料電池20將因此被構(gòu)造為使得在其運行時間的50%期間并且優(yōu)選地在燃料電池20運行時間的75%期間，燃料電池20產(chǎn)生少于其最大功率輸出的大約75%。
[0022]控制系統(tǒng)10包括至少一個燃料電池20，所述燃料電池20包括膜電極組件22("MEA")，所述膜電極組件22 ("MEA")具有設(shè)置在所述MEA的陽極催化劑表面24和相對的陰極催化劑表面26之間的質(zhì)子交換膜23(〃PEM〃)。陽極流場28被限定與陽極催化劑表面24并與燃料入口線路30流體連通，以引導(dǎo)富氫燃料反應(yīng)物流從燃料存儲源32流動通過與陽極催化劑表面24相鄰的燃料入口線路30，并且作為陽極排出流通過陽極排出裝置34離開陽極流場28。陰極流場36也被限定與陰極催化劑表面26和氧化劑源38 (例如大氣或氧化劑存儲容器38)流體連通，以引導(dǎo)氧化劑反應(yīng)物流從與陰極催化劑表面26相鄰的氧化劑入口線路40流動，并且作為陰極排出流通過陰極排出裝置42離開陰極流場36。
[0023]密封的冷卻劑流場44被固定成與陽極流場28和陰極流場36 (如圖1中所示)中的至少一個為熱交換關(guān)系，以引導(dǎo)來自冷卻劑回路48的冷卻劑入口 46的冷卻劑流體通過密封的冷卻劑流場44，并通過冷卻劑回路48的冷卻劑回路出口 50離開流場44。冷卻劑回路48還包括冷卻劑回路泵52、(可能地)用于控制通過冷卻劑回路48和冷卻劑流場44的冷卻劑流體的流速的冷卻劑流速控制閥53、以及用于控制通過冷卻劑流場44的冷卻劑流體溫度的冷卻劑回路熱交換器54。
[0024]至少一個水儲存器18A，18B被固定成與陽極流場28和陰極流場36的至少一個流體連通，并且還被固定成與密封的冷卻劑流場44流體隔離。水儲存器18A，18B被配置成用于使水移動離開儲存器18A，18B并進(jìn)入到位于至少一個陽極流場28和陰極流場36中的反應(yīng)物流16A，16B,并且使水移動離開位于至少一個陽極流場28和陰極流場36中的反應(yīng)物流16A，16B并進(jìn)入到水儲存器18A，18B中。例如，如果反應(yīng)物流是通過陰極流場36的氧化劑反應(yīng)物流16A，與陰極流場36相鄰而固定的水儲存器18A將水14轉(zhuǎn)移進(jìn)入和離開氧化劑反應(yīng)物流16A，這取決于所述流16A的相對濕度。圖1示出了與MEA 22的相對表面相鄰的儲存器18A，18B，然而，儲存器18A，18B可以定位在不同的位置(如果它們保持與反應(yīng)物流16A，16B的至少一個流體連通)。
[0025]相對濕度傳感器60可被固定成與通過陽極流場28和陰極流場36中至少一個的反應(yīng)物流連通。優(yōu)選地，相對濕度傳感器60被固定成與陰極排出裝置42內(nèi)的陰極排出流連通，如圖1中示意性示出的。相對濕度傳感器60可以是Sensirion SHTlO (其從www.sensirion.com可得),或可以是本領(lǐng)域中已知的并且能夠感測反應(yīng)物流16A, 16B的相對濕度并傳達(dá)所感測的相對濕度的任意結(jié)構(gòu)。
[0026]如上所述，相對濕度傳感器60還可以是相對濕度傳感器裝置60，其用于確定通過陽極流場28和陰極流場36至少一個的反應(yīng)物流16A，16B中至少一個的相對濕度。因此，相對濕度傳感器裝置60可以是如上所述的用于感測相對濕度的器件，或者可以是能夠執(zhí)行所述功能的任意器件或器件的組合，例如測量裝置(未示出)，其用于測量燃料電池運行參數(shù)，并且用于使用所感測的測量值來計算反應(yīng)物流中至少一個的相對濕度。
[0027]相對濕度控制器62也被固定成通過第一連通線路64與相對濕度傳感器60連通。(按照短語“連通線路”，其意思是所述部件通過本領(lǐng)域已知的任意器件(例如電線、光纖、電磁波、由人的操作員響應(yīng)于視覺標(biāo)識而促動的機(jī)械閥，等等，所有這些都通過陰影線64以及下面描述的其它陰影線表示)而彼此連通。)相對濕度控制器可以是本領(lǐng)域已知的用于執(zhí)行所述功能的任意控制器裝置，例如，舉例來說，計算機(jī)、響應(yīng)于機(jī)電或無線電波信號的機(jī)電控制器、液壓控制器，響應(yīng)于視覺或聽覺信號的人的操作員，等等。相對濕度控制器62還被固定成與下列部件中的至少一個相連通?？刂破?2可以通過第二連通線路66與固定到燃料入口線路30的燃料入口閥68相固定；通過第三連通線路70與固定到氧化劑入口線路40的氧化劑入口閥72相固定；通過第四連通線路74與固定到氧化劑入口線路40的氧化劑吹風(fēng)機(jī)76相固定；通過第五連通線路78與冷卻劑回路48的冷卻劑控制閥43、冷卻劑回路泵52和/或冷卻劑回路熱交換器54相固定；通過第六連通線路80與固定到陰極排出裝置42的陰極排出閥82相固定；通過第七連通線路84與固定到陽極排出裝置34的陽極排出閥86相固定；并且，通過第八連通線路88與固定到反應(yīng)物排出氣體再循環(huán)線路的反應(yīng)物排出氣體流速控制器(例如固定到陽極排出氣體再循環(huán)線路91的反應(yīng)物排出氣體流速控制器89)相固定。陽極再循環(huán)線路91固定在陽極排出裝置34和燃料入口線路30之間，并且反應(yīng)物排出氣體流速控制器可以是吹風(fēng)機(jī)89、噴射器、或能夠控制燃料電池反應(yīng)物排出氣體再循環(huán)流速的任意其它器件。
[0028]相對濕度控制器62配置成選擇性控制如下項中的至少一個:在陽極流場28和/或陰極流場36內(nèi)的反應(yīng)物流16A，16B的壓力、流動通過陽極流場28和/或陰極流場36的反應(yīng)物流16A，16B的流速、在密封的冷卻劑流場44中的冷卻劑流體的溫度、通過密封的冷卻劑流場44的冷卻劑流體的流速，以便每當(dāng)由燃料電池20產(chǎn)生的功率在燃料電池20最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間，水14從水儲存器18A，18B移動到反應(yīng)物流16A，16B中，并且以便每當(dāng)由燃料電池20產(chǎn)生的功率小于燃料電池20的最大功率輸出的大約百分之七十五，水14從反應(yīng)物流16A，16B移動到水儲存器18A，18B中。
[0029]相對濕度控制器62可以響應(yīng)于從相對濕度傳感器60接收的信息而控制上述參數(shù)中的一個或多個，或者控制器62可以簡單地被調(diào)整以響應(yīng)于燃料電池發(fā)電設(shè)備12的其它運行特征而控制所述參數(shù)的一個或多個。例如，如果發(fā)電設(shè)備12將用作固定發(fā)電設(shè)備并且在電流輸出的近乎穩(wěn)定狀態(tài)下運行，主要影響相對濕度的變量將是周圍空氣條件。因此，相對濕度傳感器62器件可以不需要，并且燃料電池發(fā)電設(shè)備12可以通過上述的其它相對濕度傳感器裝置調(diào)整以根據(jù)其它感測到的信息或僅僅響應(yīng)于燃料電池的電流輸出而產(chǎn)生反應(yīng)物流16A，16B的變化的相對濕度。[0030]在優(yōu)選實施例中，水儲存器18A，18B包括限定在疏水陽極多孔體90中的微孔，和限定在疏水陰極多孔體92中的微孔，所述疏水陽極多孔體90被固定成與MEA 22的陽極催化劑表面24流體連通，所述疏水陰極多孔體92被固定成與MEA 22的陰極催化劑表面26流體連通?？蛇x的水儲存器18A或水儲存器18A，18B可以包括上述的能夠執(zhí)行將水轉(zhuǎn)移進(jìn)入和離開反應(yīng)物流16A，16B的可選結(jié)構(gòu)(未示出)，例如空心纖維，在氣體擴(kuò)散層中的親水組件。
[0031]在控制系統(tǒng)10的運行中，因為由負(fù)載(未示出)對電力的需求增加，由燃料電池20產(chǎn)生的電流密度增加，并且因此由MEA 22產(chǎn)生的熱量增加并轉(zhuǎn)移到陽極流場28和陰極流場36中，這導(dǎo)致溫度上升。此增加的溫度引起反應(yīng)物流16A，16B內(nèi)的相對濕度下降，這導(dǎo)致容納在水儲存器18A，18B中的水14蒸發(fā)到反應(yīng)物流16A，16B中從而增加反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度。相對濕度控制器62配置成維持陽極和陰極流場26，36中至少一個內(nèi)的反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度，直到燃料電池20的功率輸出達(dá)到燃料電池20最大功率輸出的大約百分之七十五。當(dāng)反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度大于1.00時，由燃料電池20產(chǎn)生的水移動到水儲存器18A，18B內(nèi)的可利用體積中，并且過量水14在離開陰極排出裝置42的陰極排出流內(nèi)從燃料電池20去除。當(dāng)燃料電池20的功率輸出增加至預(yù)定的燃料電池最大可能功率輸出的大約百分之八十與百分之一百之間時，燃料電池20內(nèi)的溫度增加，并且相對濕度因而降低，以致容納在水儲存器18A，18B中的水14蒸發(fā)到反應(yīng)物流16A，16B中。
[0032]水儲存器18A，18B還可以限定足夠的水保留體積以保留充足的水，用于在對燃料電池20提出的預(yù)期高功率要求期間將反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度維持在1.00或大約1.00。特別的燃料電池20(例如用于運輸車輛(未示出)的燃料電池，或用于固定發(fā)電設(shè)備(未示出)的燃料電池)將具有可預(yù)見的高功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間。由水儲存器18A，18B限定的水容納體積被定尺寸成保留足夠體積的水14，從而在這種高功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間期間將反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度維持在1.00或大約1.00。由水儲存器18A，18B限定的優(yōu)選水容納體積是將反應(yīng)物流的相對濕度維持在1.00或大約1.00達(dá)大約五分鐘的足夠體積。在高功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間之后(例如五分鐘的持續(xù)時間)，控制系統(tǒng)可以發(fā)起減免功能以使燃料電池返回從而在少于燃料電池最大功率輸出的大約百分之七十五(75%)處運行。
[0033]圖2給出了在圖表上的模擬極坐標(biāo)曲線，其示出了響應(yīng)于增加的電流密度的離開燃料電池的陰極流的相對濕度上的變化。對于三百二十平方厘米的PEM，圖2中所模擬的燃料電池性能產(chǎn)生圖中的發(fā)熱率，其具有通過與被模擬的燃料電池陰極流場相鄰的密封的冷卻劑流場的冷卻劑流體的六十五攝氏度的固定溫度。穩(wěn)定狀態(tài)的相對濕度由標(biāo)繪線100表示；燃料電池?zé)崃坑蓸?biāo)繪線102表示；燃料電池電壓由標(biāo)繪線104表示；在冷卻劑回路出口處的冷卻劑流體由標(biāo)繪線106表示。圖2示出:反應(yīng)物流的相對濕度在電流密度(如橫軸上所示)為大約1.5安培每平方厘米(A/cm2)時保持在1.0以上。之后相對濕度在電流密度大于1.5 A/cm2時下降到1.0以下。如上所述，在每當(dāng)燃料電池在高于1.5 A/cm2的電流密度處運行，反應(yīng)物流的相對濕度降落到1.0以下時，水從燃料電池蒸發(fā)出去，導(dǎo)致PEM水合作用降低，從而引起燃料電池性能下降以及PEM水合作用循環(huán)不良。
[0034]圖3示出了用于被模擬的燃料電池性能的圖2中所描述的相同標(biāo)繪線，其中通過密封的冷卻劑流場的冷卻劑流體的流量被除以1.5，以致流速為圖2中所示流速的大約三分之二。這導(dǎo)致離開燃料電池的冷卻劑流體的溫度增加，并且更為重要的是，在大約1.1 A/cm2處導(dǎo)致相對濕度(在圖3中以標(biāo)繪線100示出)下降到1.0以下。因此，圖3中所示的燃料電池性能表明:通過改變冷卻劑流速來控制冷卻劑流體溫度是如下多種方式中的一種，所述多種方式可被本相對濕度控制器62利用以當(dāng)燃料電池的電流密度或功率輸出增加到超過燃料電池最大電流輸出百分之八十時將通過燃料電池的反應(yīng)物流的相對濕度維持在1.0或高于1.0。
[0035]本公開還包括操作密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備12，以維持通過燃料電池20的反應(yīng)物流16A，16B的有效相對濕度的方法。這樣操作燃料電池發(fā)電設(shè)備12的方法包括控制如下項中的至少一個:在陽極流場28和/或陰極流場36內(nèi)的反應(yīng)物流16A，16B的壓力、流動通過陽極流場28和/或陰極流場36的反應(yīng)物流16A，16B的流速、在密封的冷卻劑流場44中的冷卻劑流體的溫度、流動通過密封的冷卻劑流場44的冷卻劑流體的流速；以便每當(dāng)由燃料電池20產(chǎn)生的功率在燃料電池20最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間，水14從水儲存器18A，18B移動到反應(yīng)物流16A，16B中，并且以便每當(dāng)由燃料電池20產(chǎn)生的功率小于燃料電池20的最大功率輸出的大約百分之七十五,水14從反應(yīng)物流16A，16B移動到水儲存器18A，18B中。
[0036]操作燃料電池發(fā)電設(shè)備12的所述方法還可以包括將足夠量的水14存儲在水儲存器18A，18B中，用于在由燃料電池20的高功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間期間將反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度維持在大約1.00。足夠量的水14的存儲還可包括:存儲在由燃料電池20高功率輸出的五分鐘持續(xù)時間期間足以將反應(yīng)物流16A，16B的相對濕度維持在1.0或大約1.0的一種體積的水14。
[0037]盡管上面的公開已相對于用于密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備12的控制系統(tǒng)10的所描述和所闡釋的實施例被給出，理解的是，本公開并不限于那些可選物和所描述的實施例。因此，應(yīng)該主要參考下面的權(quán)利要求而不是前面的說明來確定本公開的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備(12)以從氧化劑反應(yīng)物流(16A)和富氫燃料反應(yīng)物流(16B )產(chǎn)生電流的控制系統(tǒng)(IO )，所述系統(tǒng)(IO )包括: a.至少一個燃料電池(20)，其包括:膜電極組件(22)，所述膜電極組件(22)具有設(shè)置在所述組件(22)的陽極催化劑表面(24)和相對的陰極催化劑表面(26)之間的質(zhì)子交換膜(23);陽極流場(28)，所述陽極流場(28)被限定與陽極催化劑表面(24)并與燃料入口線路(30)流體連通，以引導(dǎo)富氫燃料反應(yīng)物流(16B)從與陽極催化劑表面(24)相鄰的燃料入口線路(30 )流動，并且作為陽極排出流通過陽極排出裝置(34 )離開陽極流場(28 );陰極流場(36)，所述陰極流場(36)被限定與陰極催化劑表面(26)并與氧化劑源(38)流體連通，以引導(dǎo)氧化劑反應(yīng)物流(16A)從與陰極催化劑表面(26)相鄰的氧化劑入口線路(40)流動，并且作為陰極排出流通過陰極排出裝置(42)離開陰極流場(36)； b.密封的冷卻劑流場(44)，其被固定成與陽極流場(28)和陰極流場(36)中的至少一個為熱交換關(guān)系，以引導(dǎo)來自冷卻劑回路(48)的冷卻劑入口(46)的冷卻劑流體通過冷卻劑流場(44)并通過冷卻劑回路出口(50)，所述冷卻劑回路被配置為用于控制在冷卻劑流場(44)內(nèi)的冷卻劑流體的溫度； c.至少一個水儲存器(18A，18B)，其被固定成與陽極流場(28)和陰極流場(36)中的至少一個流體連通，并且固定成與密封的冷卻劑流場(44)流體隔離，水儲存器(18A，18B)被配置為用于將水從所述儲存器(18A，18B)移動并進(jìn)入到位于所述至少一個的陽極和陰極流場(28，36)中的反應(yīng) 物流(16A，16B)中，并且用于將水(14)從位于所述至少一個的陽極和陰極流場(28，36)中的反應(yīng)物流(16A，16B)移動并進(jìn)入到所述至少一個水儲存器(18A，18B)中；以及 d.相對濕度控制器(62)，其被固定成與燃料電池(12)連通，以選擇性地控制:反應(yīng)物流(16A，16B)的壓力、反應(yīng)物流(16A，16B)的流速、在密封的冷卻劑流場(44)中的冷卻劑流體的溫度中的至少一個，以便每當(dāng)由燃料電池(20)產(chǎn)生的功率在燃料電池(20)的預(yù)定最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間，水(14)從水儲存器(18A，18B)移動到反應(yīng)物氣體流(16A，16B)中，并且以便每當(dāng)由燃料電池(20)產(chǎn)生的功率小于燃料電池(20)的預(yù)定最大功率輸出的大約百分之七十五，水(14)從反應(yīng)物氣體流(16A，16B)移動到水儲存器(18A，18B)中。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(10)，還包括相對濕度傳感器(60)裝置，所述相對濕度傳感器(60)裝置被固定成與通過陽極流場(28)和陰極流場(36)所述至少一個的反應(yīng)物流(16A，16B)連通，并且還被固定成與相對濕度控制器(62)連通，以將關(guān)于反應(yīng)物流(16A，16B)相對濕度的感測信息傳達(dá)到所述控制器(62)。
3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)(10)，其中，相對濕度傳感器(60)裝置被固定成與陰極排出裝置(42)連通。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(10)，其中，相對濕度控制器(62)還被固定成與:固定到燃料入口線路(30)的燃料入口閥(68)、固定到氧化劑入口線路(40)的氧化劑入口閥(72)、固定到氧化劑入口線路(40)的氧化劑吹風(fēng)機(jī)(76)、固定到陽極排出裝置(34)的陽極排出閥(86)、固定到陰極排出裝置(42)的陰極排出閥(82)、冷卻劑回路(48)中的至少一個連通。
5.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(10)，其中，水儲存器(18A，18B)還包括限定在陰極多孔體(92)和陽極多孔體(90)的至少一個中的微孔，所述陰極多孔體(92)被固定成與膜電極組件(22)的陰極催化劑表面(26)流體連通，所述陽極多孔體(90)被固定成與膜電極組件(22)的陽極催化劑表面(24)流體連通。
6.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)(10)，其中，所述水儲存器(18A，18B)限定水保留體積，所述水保留體積被定尺寸成保留足夠體積的水(14)，從而在處于燃料電池(20)預(yù)定最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間的燃料電池(20 )功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間期間，將反應(yīng)物流(16A，16B)的相對濕度維持在1.00或約1.00。
7.如權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)(10)，其中，水儲存器(18A，18B)限定水保留體積，所述水保留體積足以每當(dāng)處于燃料電池(20)預(yù)定最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間的燃料電池(20)功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間是大約五分鐘時將反應(yīng)物流(16A，16B)的相對濕度維持在1.0或約1.0。
8.一種操作權(quán)利要求1中的密封的冷卻劑流場燃料電池發(fā)電設(shè)備(12)以控制通過燃料電池(20)的反應(yīng)物流(16A，16B)的相對濕度水平的方法，所述方法包括: a.控制如下項中的至少一個:在陽極流場(28)和陰極流場(36)的至少一個內(nèi)的反應(yīng)物流(16A，16B)的壓力、流動通過陽極流場(28)和陰極流場(36)至少一個的反應(yīng)物流(16A，16B)的流速、通過密封的冷卻劑流場(44)的冷卻劑流體的溫度、通過密封的冷卻劑流場(44)的冷卻劑流體的流速； b.以便每當(dāng)由燃料電池(20)產(chǎn)生的功率在燃料電池(20)最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間，水(14)從水儲存器(18A，18B)移動到反應(yīng)物流(16A，16B)中，并且以便每當(dāng)由燃料電池(20)產(chǎn)生的功率小于燃料電池(20)的最大功率輸出的大約百分之七十五，水(14)從反應(yīng)物流(16A，16B)移動到水儲存器(18A，18B)中。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括:在水儲存器(18A，18B)內(nèi)保留足夠體積的水`(14)，從而在處于燃料電池(20)預(yù)定最大功率輸出的大約百分之八十與大約百分之一百之間的燃料電池(20)功率輸出的預(yù)定持續(xù)時間期間，將反應(yīng)物流(16A，16B)的相對濕度維持在約1.00。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，控制水從反應(yīng)物流(16A，16B)移動到水儲存器(18A，18B)中包括:控制水以將水移動到微孔中，所述微孔限定在陰極多孔體(92)和陽極多孔體(90)的至少一個中，所述陰極多孔體(92)被固定成與膜電極組件(22)的陰極催化劑表面(26)流體連通，所述陽極多孔體(90)被固定成與膜電極組件(22)的陽極催化劑表面(24)流體連通。
【文檔編號】H01M8/02GK103733406SQ201180072808
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月11日
【發(fā)明者】R.M.達(dá)令 申請人:聯(lián)合工藝公司