本發(fā)明涉及燃料電池，特別地，但不僅限于，涉及具有聚合物膜形式的電解質(zhì)的類型的燃料電池(即，pefc(聚合物電解質(zhì)燃料電池)類型)。

背景技術(shù)：

眾所周知，燃料電池利用燃料氣體和氧化氣體直接通過電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)來產(chǎn)生電能，而不用經(jīng)過機(jī)械能轉(zhuǎn)化步驟。此項(xiàng)技術(shù)是有前景的，特別是在汽車應(yīng)用方面。燃料電池包含一堆基本單元，每個(gè)單元包含：陽(yáng)極、陰極、和充當(dāng)電解質(zhì)的離子交換膜。在燃料電池的運(yùn)行期間，兩個(gè)電化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生：在陽(yáng)極的燃料的氧化反應(yīng)，和在陰極的氧化劑的還原反應(yīng)。這兩個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生正負(fù)離子，它們?cè)谀ど辖Y(jié)合在一起并以電勢(shì)差的形式產(chǎn)生電力。在氫氧燃料電池的情況下，是h+和o-離子結(jié)合在一起。

膜電極組件，或者單元，是串聯(lián)堆疊的并由雙極板隔離，該雙極板把電子從一個(gè)單元中的陽(yáng)極導(dǎo)向鄰近單元的陰極。為此，在與膜接觸的雙極板的整個(gè)表面上配置了通道。每個(gè)通道都具有燃料或者氧化劑進(jìn)入的入口，以及排放惰性氣體、電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水分和氫氣的剩余水分的出口。下文中，我們用“陰極通道”來表示與單元里的陰極所接觸的通道。

氧化劑氣體的提供(特別是用空氣的情況下)由壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該壓縮機(jī)處于燃料電池的氣路的上游。我們注意到，由于壓縮，離開壓縮機(jī)的氣體是熱的并且是干燥的，因此該氣體有干燥聚合物膜的趨勢(shì)，由此導(dǎo)致燃料電池的性能的下降，并使該膜退化。事實(shí)上，膜的質(zhì)子電導(dǎo)率隨著濕度而增加，因此有必要保持一定的濕度水平以獲得更高水平的性能。

因此有必要在氣體到達(dá)膜之前加濕氣體。為此，公知的是加濕設(shè)備，離開燃料電池的氣體中所含的水分在其中通過滲透被轉(zhuǎn)移到進(jìn)入燃料電池的干燥氣體中。這些加濕設(shè)備具有相當(dāng)大尺寸的外殼。此外，為了實(shí)現(xiàn)滲透，一種(例如用制作的)膜被應(yīng)用。這種膜是相當(dāng)昂貴的。而且，我們注意到利用這樣的加濕方法，在位于燃料電池雙極板上的用于傳輸氣體的通道中，濕度是不均勻的。甚至，進(jìn)入通道的預(yù)加濕氣體在穿過通道的過程中有進(jìn)一步加載水分的趨勢(shì)，由此導(dǎo)致在通道出口處的濕度遠(yuǎn)高于在通道入口處的濕度。

因此本發(fā)明旨在提出一種解決方案，以加濕在燃料電池的陰極通道中流通的氣體，同時(shí)解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明因此提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其包括：形成聚合物離子交換膜燃料電池的電化學(xué)單元的堆疊,燃料氣體供應(yīng)回路以及氧化氣體供應(yīng)回路；

所述氧化氣體供應(yīng)回路包括壓縮機(jī)和排氣出口，所述壓縮機(jī)用于在環(huán)境空氣進(jìn)入燃料電池之前將環(huán)境空氣壓縮，所述排氣出口用于排放離開燃料電池的氣體；

所述供應(yīng)回路在第一接入點(diǎn)和第二接入點(diǎn)連接到燃料電池；

所述系統(tǒng)還包括具有兩個(gè)位置的切換元件：在第一位置，壓縮機(jī)的出口連接到第一接入點(diǎn)，并且第二接入點(diǎn)連接到排氣出口；在第二位置，壓縮機(jī)的出口連接到第二接入點(diǎn)，并且第一接入點(diǎn)連接到排氣出口；并且所述系統(tǒng)的特征在于其包括在第一接入點(diǎn)(7)的上游位于氧化氣體供應(yīng)回路中的水分儲(chǔ)備裝置。

如隨后借助附圖所解釋的，這種系統(tǒng)可以保持膜的良好的加濕作用，同時(shí)避免了使用如現(xiàn)有技術(shù)中用到的笨重又昂貴的加濕設(shè)備。

我們知道燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水分通常在一個(gè)單元的膜的整個(gè)表面上均勻地生成。另一方面，除了燃料電池的運(yùn)行所產(chǎn)生的水分，還有在通道中循環(huán)的氣體所傳輸?shù)乃帧Ｒ虼?，我們注意到，全部水分的量，以及濕度，在有效表面上是不均勻的，并且沿著氣體的流動(dòng)方向而增加。

然而，在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，氣體的流動(dòng)方向根據(jù)切換元件的位置而變化，這將導(dǎo)致濕度的變化，尤其當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)根據(jù)切換元件在第一位置和第二位置之間的周期循環(huán)而被控制的情況下。

特別地，當(dāng)切換元件在第一位置時(shí)，氧化氣體的流動(dòng)和燃料氣體的流動(dòng)在同一方向，這種情況被稱為“同向流動(dòng)?！边@種情況的舉例如圖3a所示，可以看出，氫氣和空氣的流動(dòng)方向是相同的。

相反地，當(dāng)切換元件在第二位置時(shí)，氧化氣體的流動(dòng)與燃料氣體的流動(dòng)在相反的方向上，這種情況被稱為“反向流動(dòng)”。這種情況的舉例如圖3b所示，可以看出，氫氣和空氣的流動(dòng)方向是相反的。

因?yàn)闈穸仍跉怏w的流動(dòng)方向上增加，在“反向流動(dòng)”情況下，在整個(gè)膜的表面產(chǎn)生了相對(duì)均勻的濕度。另一方面，在“同向流動(dòng)”情況下，對(duì)應(yīng)于氣體入口的膜的部分比對(duì)應(yīng)于氣體出口的膜的部分具有更高的干燥度。

“同向流動(dòng)”和“反向流動(dòng)”的交替因此會(huì)導(dǎo)致膜電極組件上的高濕度變化，并且可能會(huì)導(dǎo)致燃料電池的過早退化。

在整個(gè)描述里，我們將會(huì)采用相同的表達(dá)“第一位置”和“同向流動(dòng)”，以及“第二位置”和“反向流動(dòng)”。第一種表達(dá)涉及切換元件的位置，同時(shí)第二種表達(dá)反而涉及到氣流的運(yùn)動(dòng)。

然而，在本發(fā)明里，濕度的變化因?yàn)檠趸瘎┕?yīng)回路中，第一接入點(diǎn)的上游的水分儲(chǔ)備裝置的存在而受限。特別地，當(dāng)燃料電池在“反向流動(dòng)”位置運(yùn)行時(shí)，離開燃料電池的氣體穿過水分儲(chǔ)備裝置，該水分儲(chǔ)備裝置因此加載了水分。在此期間，水分儲(chǔ)備裝置變得裝滿了水。然后，當(dāng)燃料電池在“同向流動(dòng)”位置運(yùn)行時(shí)，水分在氣體進(jìn)入燃料電池之前回到氣體上，因此極大地限制了膜上所經(jīng)歷的濕度的變化。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，水分儲(chǔ)備裝置由高吸濕性材料構(gòu)成，例如蜂窩結(jié)構(gòu)的紙和棉纖維。在另一個(gè)例子中，可以設(shè)想利用堇青石基材料。水分儲(chǔ)備裝置的體積根據(jù)燃料電池的功率優(yōu)先匹配。例如，對(duì)于10kw的燃料電池，水分儲(chǔ)備裝置由紙纖維構(gòu)成并且體積大約是250cm3。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，電化學(xué)單元由雙極板分隔，在每個(gè)雙極板的表面上配置了用于燃料氣體和氧化氣體流通的通道，其特征在于，第一和第二接入點(diǎn)形成了通道的入口和出口。因此，切換元件位于第一位置時(shí)，氣體在通道里從第一點(diǎn)到第二點(diǎn)流通，并且當(dāng)切換元件位于第二位置時(shí)，反之。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，切換元件是四通閥。該閥可以是單穩(wěn)態(tài)或者雙穩(wěn)態(tài)閥。

據(jù)觀察，閥的動(dòng)力學(xué)(即從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的切換時(shí)間)在位置切換過程中影響到氧化氣體輸入流中斷的持續(xù)時(shí)間。然而，持續(xù)的輸入流的中斷會(huì)導(dǎo)致氧化劑的暫時(shí)短缺，并且導(dǎo)致燃料電池輸出的電力中斷。

為克服此問題，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述閥裝備有永磁角度電機(jī)，其運(yùn)行將在隨后借助圖示詳細(xì)描述。該電機(jī)能夠更快地切換，并且被使用以使燃料電池的入口處氧化氣體供應(yīng)的中斷的時(shí)間最小化。有利地，該電機(jī)安裝為電機(jī)的軸直接聯(lián)接到四通閥的軸。這里明確指出，使用了聯(lián)接有切換元件的這樣電機(jī)的特征可以獨(dú)立于如上所描述的水分儲(chǔ)備裝置的使用之外而要求保護(hù)。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，系統(tǒng)還包括兩個(gè)壓力傳感器，所述兩個(gè)壓力傳感器安裝在氧化氣體供應(yīng)回路內(nèi)，并分別位于切換元件與第一接入點(diǎn)之間以及切換元件與第二接入點(diǎn)之間。這兩個(gè)壓力傳感器可以通過比較燃料電池入口和出口的壓力來持續(xù)地檢查閥的正確運(yùn)行?？蛇x擇地，也可以通過關(guān)聯(lián)在燃料電池的兩個(gè)接入點(diǎn)中的一個(gè)接入點(diǎn)處的空氣的溫度的測(cè)量來檢查空氣的流動(dòng)方向的定期反轉(zhuǎn)。特別地，由于流經(jīng)燃料電池的空氣會(huì)被燃料電池加熱，流動(dòng)方向的反轉(zhuǎn)導(dǎo)致在燃料電池的接入點(diǎn)處測(cè)得的空氣溫度的變化趨勢(shì)的反轉(zhuǎn)。

在另一個(gè)有利的實(shí)施方案中，切換元件安裝在還包含一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)用于管理和/或控制燃料電池，或者包含此種系統(tǒng)的至少一個(gè)組件的燃料電池的端板上。這樣的板在說明書的剩余部分被稱為“系統(tǒng)板”。這種設(shè)置可以增加整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的緊密度，并且也可以促進(jìn)各種元件的整合。

此外，這種較少接觸外部氣候情況的系統(tǒng)板上的切換元件的設(shè)置可以保證切換元件的運(yùn)行，而不用考慮燃料電池所經(jīng)歷的外部溫度。特別地，我們注意到燃料電池在零下溫度啟動(dòng)期間，因?yàn)闅埩羲纸Y(jié)冰了，致使切換元件有時(shí)不能夠切換。此外，因?yàn)榻咏到y(tǒng)板上切換元件的位置可以使切換元件與燃料電池的空氣供應(yīng)通道之間的管道的體積最小化。因此，在每次空氣的流動(dòng)方向反轉(zhuǎn)時(shí)被重新引入的離開燃料電池的廢氣的體積在減少，因此可以使上述的電力中斷最小化。

本發(fā)明還涉及用于控制根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括：控制切換元件以根據(jù)周期循環(huán)使其從第一位置移到第二位置。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，此循環(huán)有幾秒到幾分鐘之間的持續(xù)時(shí)間，例如15到30秒之間。

更優(yōu)選地，控制方法中周期循環(huán)是非對(duì)稱的，即切換元件停留在第一位置時(shí)的持續(xù)時(shí)間不同于其停留在第二位置時(shí)的持續(xù)時(shí)間。由于氫氣的流動(dòng)方向不能自己反轉(zhuǎn)，此非對(duì)稱可以考慮燃料電池內(nèi)部行為的非對(duì)稱特性。我們理解，在“反向流動(dòng)”位置，輸入的空氣和流出的氫氣在同向流動(dòng)，因此通過氫氣穿過膜來回收水分。這種情況有利于在空氣側(cè)加濕膜和填充水分儲(chǔ)備裝置，此階段通常應(yīng)當(dāng)持續(xù)長(zhǎng)于“同向流動(dòng)”階段，但不能持續(xù)太長(zhǎng)，因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致陽(yáng)極失去水分。應(yīng)當(dāng)在“同向流動(dòng)”和“反向流動(dòng)”持續(xù)時(shí)間中規(guī)定適當(dāng)?shù)钠胶?，以便?yōu)化燃料電池的整體性能。

此外，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述方法包含測(cè)量燃料電池內(nèi)部溫度的步驟，在這種情況下切換元件的控制僅發(fā)生在當(dāng)溫度高于預(yù)定閾值時(shí)。這種特性可以改善燃料電池的冷啟動(dòng)情況。甚至，當(dāng)燃料電池沒有解凍時(shí)，轉(zhuǎn)換不能實(shí)施，這樣當(dāng)燃料電池內(nèi)的溫度可以引起水的立即結(jié)冰時(shí)避免了加濕整個(gè)通道。

此外，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的控制方法可以實(shí)現(xiàn)燃料電池入口處空氣的定期短缺。這種短缺能夠使燃料電池的性能維持更長(zhǎng)的時(shí)間。特別地，單元的陰極加載著催化劑(即能夠提高反應(yīng)速度的化合物)，陰極是反應(yīng)的位置。然而，用作陰極催化劑的鉑金的逐漸氧化導(dǎo)致了性能的下降，其表現(xiàn)為電壓的下降?？諝獾亩ㄆ诙倘蹦軌蚴广K金的反應(yīng)逆轉(zhuǎn)并且變成還原反應(yīng)，這樣可以維持催化劑的性能。

附圖說明

通過如下附圖所顯示的各個(gè)實(shí)施方案的無限制的描述，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征將顯現(xiàn)出來：

-圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)的陰極電路；

-圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的陰極電路；

-圖3a和3b,已經(jīng)描述過，顯示了在“同向流動(dòng)”與“反向流動(dòng)”情況下燃料電池的膜電極組件中的氣體循環(huán)；

-圖4a和4b,顯示了根據(jù)本發(fā)明結(jié)合了角度電機(jī)的四通閥的運(yùn)行；

-圖5顯示了，在閥的兩個(gè)位置間的切換期間，閥的筒部的角度位置；

-圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的電機(jī)/閥組件的截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1顯示一種包含了具有聚合物膜形式的電解質(zhì)的類型的燃料電池6的系統(tǒng)(例如pefc(聚合物電解質(zhì)燃料電池)或pem(質(zhì)子交換膜)類型)。燃料電池6被提供兩種氣體，即燃料氣體(儲(chǔ)存的或者車輛上產(chǎn)生的氫氣)和氧化氣體(空氣或者純氧氣)，這些氣體提供了電化學(xué)單元的電極。為此，所述系統(tǒng)包含兩種氣體回路：一個(gè)燃料氣體供應(yīng)回路，也稱為陽(yáng)極電路，和一個(gè)氧化氣體供應(yīng)回路，也稱為陰極電路。圖1僅表示了陰極電路的元件以便于了解本發(fā)明。當(dāng)然，本發(fā)明不限于這些元件，也可能包括所有本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的并且能夠用于此種燃料電池系統(tǒng)的設(shè)備。

因此，該設(shè)備在陰極側(cè)包含空氣供應(yīng)回路。該回路包含：空氣輸入過濾器1，能夠測(cè)量輸入空氣流量的流量計(jì)2，空氣壓縮器3，能夠防止離開燃料電池的氣體在壓縮機(jī)3的方向上返回的單向閥4。如上所指出的，在壓縮機(jī)3的出口處，空氣是熱的并且是干燥的，因此如果空氣引入燃料電池的持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)的話，可能會(huì)引起使聚合物膜退化的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在常規(guī)燃料電池中，例如牌類型的加濕設(shè)備5放置于可以使氧化氣體進(jìn)入燃料電池的入口7的上游。

加濕設(shè)備5的原理如下：我們知道因?yàn)樵陉帢O發(fā)生的化學(xué)半反應(yīng)：o2+4h⁺+4e-＝2h2o產(chǎn)生了水，離開燃料電池的氣體加載了水分。通過出口8離開燃料電池的氣體被引入加濕設(shè)備5，同時(shí)離開壓縮機(jī)3的干燥氣體進(jìn)入加濕設(shè)備5。加濕設(shè)備5包含例如類型的聚合物膜。一部分離開燃料電池的氣體中的水分通過該膜在干燥氣體進(jìn)入燃料電池前轉(zhuǎn)移到干燥氣體中，這樣可以確保足夠的濕度水平，以便不損壞燃料電池6的聚合物膜。在通過加濕設(shè)備5之后，離開燃料電池的氣體通過壓力調(diào)節(jié)閥9送至排氣出口10。這樣的配置由于此種加濕設(shè)備的使用而有多種缺陷。特別地，因?yàn)樗黾訚裨O(shè)備表現(xiàn)為燃料電池6的不可忽視的體積的一部分(需注意的是，圖1和圖2中的尺寸不是按比例的)，它的體積非常龐大。然而，在移動(dòng)應(yīng)用情況下，例如用于汽車，能夠盡可能地減少組件的重量和體積是有用的。此外，用于加濕設(shè)備的聚合物膜是相當(dāng)昂貴的。而且，在運(yùn)用此類加濕設(shè)備的情況下，在陰極側(cè)的雙極板的通道中濕度是不均勻的。甚至，因?yàn)闅怏w在通過通道的過程中加載了水分，所以在電化學(xué)反應(yīng)過程中，會(huì)導(dǎo)致在通道的末端非常大的濕度。

為了解決這些缺陷，本發(fā)明提供了一種解決方案，如圖2所示的一種示例性實(shí)施方案。該設(shè)備包含閥11，其一側(cè)連接至單向閥4和壓力調(diào)節(jié)閥9，而另一側(cè)在入口7和出口8處連接至燃料電池。閥11是四通閥，其可以是單穩(wěn)態(tài)或者雙穩(wěn)態(tài)的。兩者間的選擇要特別地考慮到系統(tǒng)的能量限制，因?yàn)橐环N情況下，為了保持閥處于第二位置必須要維持電流；而另一種情況下簡(jiǎn)單脈沖可以使閥從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，這在能量消耗方面是優(yōu)越的。

由于閥11的控制，壓縮機(jī)3的出口交替地連接至燃料電池的入口7和燃料電池的出口8。此處所使用的術(shù)語(yǔ)“入口”和“出口”與圖1中用法類似，但是在圖2的配置中，接入點(diǎn)7和8交替地表示燃料電池的入口和出口。因此，在第一位置，來自壓縮機(jī)3的氣體通過入口7進(jìn)入燃料電池，它穿過位于雙極板上的通道，在此過程中發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)產(chǎn)生的氣體從燃料電池通過出口8出現(xiàn)然后送至出口控制閥9。在第二位置，來自于空氣壓縮機(jī)3的氣體送至出口8，它穿過位于雙極板上的通道到達(dá)入口7，然后輸出的氣體通過閥11送至出口控制閥9。

因此氣體在通道中一個(gè)方向上和另一個(gè)方向上交替地循環(huán)。然而，如上面所解釋的，在通道里的行程中，因?yàn)榘l(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，氣體加載了水分。因此，在行程的末端發(fā)現(xiàn)的部分通道有非常高的濕度。通過交替氣體的入口，因此可以使來自于壓縮機(jī)3的干燥氣體通過部分有高濕度的通道進(jìn)入燃料電池，并因此加載水分，以致不降低聚合物膜的性能。因此，我們提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確保適當(dāng)?shù)丶訚衽c膜接觸的氣體，而不必在所述氣體進(jìn)入燃料電池6之前將其加濕。這在成本和體積方面是非常優(yōu)越的，因?yàn)樗耐ㄩy是普通設(shè)備，以低成本就可以獲得并且不是非常龐大。

此外，在接入點(diǎn)7和8之間交替氣體的入口可以交替氣體在通道中的行進(jìn)方向，因而可以使得整個(gè)通道中的濕度均勻。因此，濕度沿著通道呈拋物線變化，在通道的中間達(dá)到最高點(diǎn)，而不會(huì)達(dá)到在常規(guī)系統(tǒng)中通道末端所達(dá)到的非常高的水平。

圖4a和4b分別顯示了四通閥的第一位置和第二位置，該四通閥由像電磁鐵一樣運(yùn)行的永磁角度電機(jī)所驅(qū)動(dòng)。圖4a對(duì)應(yīng)“同向流動(dòng)”情況，并且圖4b對(duì)應(yīng)“反向流動(dòng)”情況。

優(yōu)選地，所述閥的控制是非對(duì)稱的。特別地，“同向流動(dòng)”情況有比“反向流動(dòng)”情況能更快地干燥膜的趨勢(shì)，因此在一個(gè)循環(huán)中，“同向流動(dòng)”情況持續(xù)5到15秒，而“反向流動(dòng)”情況持續(xù)10到25秒是有利的。

圖5顯示了，在g1曲線上，在閥的兩個(gè)位置間切換期間，閥的筒部的角度位置。因此，可以看出，筒部的位移時(shí)間td小于40毫秒，這樣不會(huì)在燃料電池的出口處觀測(cè)到電力中斷，因?yàn)槿剂想姵氐碾娙菪?yīng)足夠維持短暫切換期間的電量。

優(yōu)選地，如圖6所示，電機(jī)100的軸與四通閥的軸相聯(lián)接。此外，更有利的是，安裝了彈性止擋件102以吸收筒部101在其位移期間所儲(chǔ)存的能量，并且限制在圖5的區(qū)域c1中出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象。

因此，本發(fā)明能夠提供一種燃料電池系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中保持了氣體的水分，而不會(huì)過度地增加系統(tǒng)的成本和體積。