專利名稱：燃料電池操作中的水管理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
根據(jù)其電極來(lái)分類的各種類型的燃料電池具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)要求。在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池中，一個(gè)要求是提供有效的水管理系統(tǒng)。PEM燃料電池包括限制在各自有孔的陰、陽(yáng)電極之間的膜。這些電極包括相對(duì)薄的催化劑層和帶孔支撐板的組合，其中，催化劑層既可以淀積在質(zhì)子交換膜的各主要表面上，又可以淀積在帶孔的支撐板上。通常，燃料電池通過(guò)把氣體燃料和氧化劑分別提供到陽(yáng)極和陰極來(lái)起作用。用于燃料和氧化劑氣體的供給裝置盡可能一致地把同樣的東西分配在各自電極所催化的表面上。在PEM燃料電池中，當(dāng)燃料電池工作時(shí)，在電極上出現(xiàn)的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了在陽(yáng)極上形成電子和氫離子。電子流向外部負(fù)載電路，而氫離子通過(guò)膜流向陰極，在那里，它們與氧反應(yīng)形成水，并且釋放熱能。燃料電池也具有冷卻劑通道，用于引導(dǎo)電池堆中電極附近的水，以防止燃料電池過(guò)熱。
最好，由電池中的蒸發(fā)以及經(jīng)處理口排出而損失的水通過(guò)電池堆中的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品水來(lái)補(bǔ)充，這些水少于燃料處理所需要的水。水的平衡使得水可以在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)，因此避免了在燃料電池系統(tǒng)中補(bǔ)充水的需求與費(fèi)用。當(dāng)使例如汽車發(fā)電時(shí)，由于汽車不經(jīng)常與外界水源接觸而補(bǔ)充水，因此，維持水平衡或自給自足是很重要的。
作為一個(gè)例子，汽油驅(qū)動(dòng)燃料電池發(fā)電機(jī)是一個(gè)必須在水方面自給自足來(lái)生存的集成系統(tǒng)。自給自足意味著作為在電池中化學(xué)反應(yīng)結(jié)果所形成的足夠的水必須通過(guò)系統(tǒng)來(lái)回收，以提供在燃料處理系統(tǒng)中將汽油轉(zhuǎn)變?yōu)闅渌枰乃ｋ娀瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果是在電池中生成水，并且通過(guò)眾所周知的方法將液態(tài)和氣態(tài)的水從電池中除去。在排出氣流中的水蒸汽通過(guò)廢氣出口經(jīng)冷凝器使排出空氣冷卻，形成冷凝物，由此使排出氣流中的水蒸汽得到部分回收。冷凝水被回收、收集并且按要求供給燃料處理系統(tǒng)。在現(xiàn)有的環(huán)境溫度條件，具有單通道氣流的PEM燃料電池不能回收足夠的水來(lái)自給自足。
對(duì)于質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，自給自足水管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，當(dāng)在高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，使用相對(duì)干燥的環(huán)境空氣作為一個(gè)反應(yīng)物會(huì)使水的損失比反應(yīng)物氫、氧之間反應(yīng)所產(chǎn)生的水更大。而且，在高溫工作環(huán)境下，水的過(guò)分損失會(huì)變干，并且會(huì)使電池堆的膜永久性地?fù)p壞。
根據(jù)上面所述，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種PEM燃料電池系統(tǒng)，它克服了以前PEM燃料電池系統(tǒng)在高溫工作環(huán)境下在維持水平衡方面的缺點(diǎn)和不足。當(dāng)結(jié)合附圖來(lái)閱讀下面的描敘時(shí)，本發(fā)明的上述和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚。
本發(fā)明的公開(kāi)在本發(fā)明的一個(gè)方面，PEM燃料電池系統(tǒng)包括PEM燃料電池，該P(yáng)EM燃料電池具有冷卻劑輸入口和冷卻劑輸出口、燃料輸入口和燃料輸出口、以及空氣輸入口和空氣輸出口。大約在環(huán)境溫度下，空氣輸入口與新鮮空氣源相連接?？烧{(diào)的氣流分離器，例如氣流閥，具有一個(gè)輸入口、第一和第二個(gè)輸出口、以及一個(gè)控制口，用于調(diào)節(jié)從氣流分離器的第一個(gè)輸出口輸出的廢氣量與從氣流分離器的第二個(gè)輸出口輸出的廢氣量的比(循環(huán)空氣送排比)。氣流分離器的輸入口連接到PEM燃料電池的空氣輸出口。分離器的第一個(gè)輸出口與PEM燃料電池的空氣輸入口相通。設(shè)置環(huán)境溫度測(cè)量裝置，用于產(chǎn)生溫度信號(hào)。電功率測(cè)量裝置連接到燃料電池的電極，用于產(chǎn)生表示由燃料電池所產(chǎn)生的額定功率的百分?jǐn)?shù)的功率信號(hào)。處理器具有輸入端和輸出端，輸入端與溫度測(cè)量裝置、電功率測(cè)量裝置相連，輸出端與氣流分離器的控制輸入端相連。處理器控制氣流分離器，以便把燃料電池系統(tǒng)的循環(huán)空氣送排比調(diào)節(jié)到預(yù)定值，這個(gè)預(yù)定值是燃料電池系統(tǒng)電輸出功率的函數(shù)，以便在所檢測(cè)到的環(huán)境工作溫度下維持燃料電池系統(tǒng)的總體水平衡。該系統(tǒng)也可以包括冷卻劑水位傳感器，如果存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的水量降到預(yù)定值或預(yù)定水位以下，該傳感器則稍微增加循環(huán)空氣的送排比(recycle-to-air ventratio)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，操作PEM燃料電池系統(tǒng)的方法包括提供一種PEM燃料電池。引導(dǎo)燃料或重整油(reformate)經(jīng)燃料輸入口和燃料輸出口而通過(guò)PEM燃料電池。引導(dǎo)冷卻劑經(jīng)冷卻劑輸入口和冷卻劑輸出口而通過(guò)PEM燃料電池。引導(dǎo)其溫度大約為環(huán)境溫度的新鮮空氣經(jīng)空氣輸入口和空氣輸出口而通過(guò)PEM燃料電池。測(cè)量燃料電池的環(huán)境工作溫度和燃料電池的電輸出功率。調(diào)整氣流分離器，以便將預(yù)定的一部分量的廢氣轉(zhuǎn)向而返回到燃料電池的空氣輸入口，從而將燃料電池的電輸出功率調(diào)整到額定電輸出功率的預(yù)定百分?jǐn)?shù)，該百分?jǐn)?shù)將在所檢測(cè)到的環(huán)境工作溫度下維持燃料電池系統(tǒng)中的總體水平衡。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是具有過(guò)程空氣循環(huán)的PEM燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
圖2是表示燃料電池系統(tǒng)中水平衡的曲線圖。
圖3是曲線圖，表示陰極循環(huán)空氣送排比對(duì)外部空氣利用率的影響。
圖4是曲線圖，表示在具有或沒(méi)有陰極空氣循環(huán)的情況下為了維持水平衡，冷凝器/環(huán)境溫度和PEM燃料電池系統(tǒng)額定電功率之間的關(guān)系。
圖5是曲線圖，表示在具有或沒(méi)有陰極空氣循環(huán)情況下補(bǔ)充水和PEM燃料電池系統(tǒng)額定電功率之間的關(guān)系。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式現(xiàn)在看圖1,PEM燃料電池系統(tǒng)一般用參考數(shù)字10表示。燃料電池系統(tǒng)中具有PEM燃料電池12,PEM燃料電池12包括至少一個(gè)陽(yáng)極14、陰極16、在陽(yáng)極和陰極之間所設(shè)置的質(zhì)子交換膜19、以及冷卻器部分(cooler section)18。燃料電池包括燃料輸入口20和燃料輸出口22，它們跨越電池堆的陽(yáng)極14，協(xié)作提供預(yù)熱的富氫(hydrogen rich)燃料或重整物(reformate)，例如通過(guò)重新形成汽油、乙醇、甲烷或甲醇所獲得的燃料。燃料輸入口20同燃料供應(yīng)管線24相通，用于接受來(lái)自傳統(tǒng)燃料處理系統(tǒng)25的富氫燃料，燃料處理系統(tǒng)25可以是例如處理重整油的重整裝置。燃料輸出口22同燃料出口管線26相連，用于把排除的燃料送回到例如燃燒器(未示出)。PEM燃料電池12進(jìn)一步包括過(guò)程空氣(process)輸入口28和過(guò)程空氣排出口30，用于使環(huán)境空氣流過(guò)電池堆的陰極。過(guò)程空氣入口28同過(guò)程空氣供應(yīng)管線32相通，用于接受由例如風(fēng)機(jī)33提供給燃料電池的過(guò)程空氣。過(guò)程空氣排出口30同廢氣管線34相通，用于將過(guò)程(process)廢氣從燃料電池12運(yùn)送走。燃料電池更進(jìn)一步包括冷卻劑輸入口36和冷卻劑輸出口38，用于在電池堆的周圍提供水或其它冷卻劑，以防止電池堆在燃料和過(guò)程空氣之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電時(shí)出現(xiàn)過(guò)熱。冷卻劑輸入口36同冷卻劑供應(yīng)管線40相通，用于接受來(lái)自于水源37，例如水箱的冷卻劑。冷卻劑輸入口38同冷卻劑輸出管線42相通，以便通過(guò)散熱器把冷卻劑從將被冷卻的燃料電池中送走。
燃料電池系統(tǒng)10進(jìn)一步包括氣流分離器或氣流分離裝置，用于使過(guò)程廢氣量的預(yù)定百分?jǐn)?shù)或小部分轉(zhuǎn)向而返回到空氣入口28。轉(zhuǎn)向裝置可以通過(guò)例如可調(diào)節(jié)氣流閥44來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣流閥具有輸入口48，它與PEM燃料電池12的空氣排出口30相通，用于接受廢氣；第一個(gè)輸出口50，用于使沿循環(huán)管線52中的廢氣轉(zhuǎn)向；以及第二個(gè)輸出口54，用于把剩余的過(guò)程廢氣釋放或排出到水回收冷凝器55中?；厥绽淠?5將在那里所形成的冷凝物(condensate)提供給水源37。交匯點(diǎn)46接受由例如風(fēng)機(jī)33所提供的新鮮環(huán)境空氣，以及進(jìn)一步接受來(lái)自于循環(huán)管線52、經(jīng)風(fēng)機(jī)59、被轉(zhuǎn)向的過(guò)程廢氣。然后新鮮過(guò)程空氣和排出或加濕的過(guò)程空氣的混合物從交匯點(diǎn)46輸入到PEM燃料電池12的過(guò)程空氣輸入口28。交匯點(diǎn)46可以與過(guò)程空氣輸入口28分開(kāi)，如圖1所示，或者，也可以設(shè)置在過(guò)程空氣輸入口。
燃料電池系統(tǒng)進(jìn)一步包括電功率測(cè)量裝置70，該裝置具有第一和第二輸入端72、74，第一和第二輸入端72、74根據(jù)燃料電池12的陽(yáng)極和陰極分別產(chǎn)生的沿管線72、74的電信號(hào)輸入而產(chǎn)生電功率信號(hào)。溫度測(cè)量裝置76檢測(cè)燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境操作溫度。冷卻劑位置傳感器39檢測(cè)水源37中的水位。處理器，例如傳統(tǒng)的微處理器78具有第一、第二以及第三個(gè)輸入端80、82和78，分別接受電功率測(cè)量、環(huán)境溫度測(cè)量、以及冷卻劑位置傳感器測(cè)量。微處理器78具有與氣流閥44的控制輸入端相連的輸出端84，用于被轉(zhuǎn)向到PEM燃料電池12的空氣輸入口的排出過(guò)程空氣量，以維持水的平衡，所調(diào)節(jié)的排出過(guò)程空氣量為環(huán)境溫度和燃料電池12的額定電功率百分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
冷卻劑位置傳感器39，例如低位傳感器，可以用來(lái)當(dāng)作另外一個(gè)獨(dú)立于環(huán)境溫度和燃料電池系統(tǒng)的電輸出功率之外的用來(lái)維持水平衡的安全措施。例如，當(dāng)存儲(chǔ)在水箱37中的冷卻劑量下降到低于預(yù)定的位置或數(shù)值時(shí)，冷卻劑位置傳感器39給處理器78發(fā)送一個(gè)信號(hào)，通知該處理器稍微增加循環(huán)空氣的排出比例。
為了維持水平衡或自給自足，例如用汽油和空氣在標(biāo)稱的周圍壓力下工作的傳統(tǒng)的PEM燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境工作溫度被限制在大約75°F。在較高的環(huán)境溫度下工作的燃料電池所失去的水比在電池堆中所產(chǎn)生的水多，因此將需要補(bǔ)充用于燃料處理的水。實(shí)際上，在大約100°F的環(huán)境溫度下，傳統(tǒng)的PEM燃料電池系統(tǒng)在它的整個(gè)工作電功率范圍內(nèi)都需要補(bǔ)充水。
在PEM燃料電池中，水平衡的一個(gè)因素是在過(guò)程空氣輸入口28所接受的過(guò)程空氣中的水量或過(guò)程空氣濕度與離開(kāi)過(guò)程空氣口30的過(guò)程空氣的水量或過(guò)程空氣濕度之間的差。傳統(tǒng)的PEM燃料電池通常使用環(huán)境過(guò)程空氣，這些空氣在燃料電池中只通過(guò)一次。由于當(dāng)來(lái)自于重合物或燃料的氫與過(guò)程空氣中的氧反應(yīng)時(shí)生成水，因此，進(jìn)入燃料電池的環(huán)境空氣與已經(jīng)拾取了電池堆陰極側(cè)水的離開(kāi)燃料電池的過(guò)程空氣相比，則相對(duì)干燥一些。由于通過(guò)過(guò)程空氣出口孔的蒸發(fā)是在電池堆中的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，因此，在進(jìn)入燃料電池的相對(duì)干燥的環(huán)境空氣與離開(kāi)燃料電池的潮濕過(guò)程空氣之間在蒸汽壓力上較大差別導(dǎo)致了損失更多的水。
人們發(fā)現(xiàn)，使一部分排出的過(guò)程空氣循環(huán)可以在較高環(huán)境溫度下，例如在大約90°F到100°F的環(huán)境溫度下使基于汽油和空氣的電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平衡。在過(guò)程空氣輸入口28之前，潮濕的排出過(guò)程空氣與新鮮的環(huán)境空氣相混合，這些潮濕的排出過(guò)程空氣增加了燃料電池12的空氣輸入口28的過(guò)程空氣的濕度(也就是結(jié)露點(diǎn))。因此，燃料電池12的空氣輸入口28和空氣輸出口30的過(guò)程空氣蒸汽壓力之差相對(duì)于使用單通道的過(guò)程空氣的燃料電池來(lái)說(shuō)得到了減少。相對(duì)于通過(guò)燃料電池電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水來(lái)說(shuō)，在蒸汽壓力方面所減少的差使得空氣輸出口的空氣排出孔所蒸發(fā)的水和所損失的水更少。相對(duì)于蒸汽壓力差別更大的系統(tǒng)，所減少的蒸汽壓力差別導(dǎo)致了在更高環(huán)境溫度(也就是高達(dá)100°F)下水的平衡或自給自足。因此，與使用單通道的過(guò)程空氣的PEM燃料電池相比，自給自足的水管理系統(tǒng)可以在一個(gè)更寬的環(huán)境工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。再者，由于高水位水蒸發(fā)而引起的變干和損壞電池堆膜的危險(xiǎn)降低到了最小。
現(xiàn)在參考圖1，解釋實(shí)現(xiàn)水平衡的過(guò)程。在工作過(guò)程中，冷卻劑由水源37提供，并進(jìn)入冷卻劑輸入口36。冷卻劑防止在高達(dá)大約100°F的環(huán)境工作溫度下燃料電池的過(guò)熱。舉一個(gè)例子，通過(guò)對(duì)汽油燃料處理，使燃料處理系統(tǒng)25中的重整油具有飽和的大約40％到45％氫[干基(dry base)]，這種重整油從燃料輸入口20進(jìn)入PEM燃料電池12中。在反應(yīng)后，有大約80％的氫得到利用或消耗，燃料在飽和狀態(tài)下，從燃料輸出口22離開(kāi)電池堆。同時(shí)，在環(huán)境溫度下，利用風(fēng)機(jī)33，使過(guò)程空氣從過(guò)程空氣輸入口28進(jìn)入PEM燃料電池12中。在電極上出現(xiàn)的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致在陽(yáng)極上形成電子和氫離子。電子流流向外部負(fù)載電路(未示出)，而氫離子流則經(jīng)過(guò)膜流向陰極，在那里，它們與氧反應(yīng)形成水，并且還釋放熱能。然后，濕潤(rùn)的過(guò)程廢氣通過(guò)空氣出口30離開(kāi)PEM燃料電池12。離開(kāi)燃料電池12的過(guò)程空氣然后從輸入口48進(jìn)入可調(diào)節(jié)的氣流閥44，并利用風(fēng)機(jī)59，使部分濕潤(rùn)的過(guò)程廢氣在氣流閥44中轉(zhuǎn)向，從氣流閥44的第一個(gè)輸出口50流出，流過(guò)空氣循環(huán)管線52。然后，在混合點(diǎn)46處，循環(huán)空氣同風(fēng)機(jī)33所提供的新鮮環(huán)境溫度空氣相結(jié)合或相混合，以便使混合空氣得到濕潤(rùn)。然后，濕潤(rùn)的過(guò)程空氣進(jìn)入燃料電池12的空氣輸入口28。
在大約90°F到100°F的高溫工作環(huán)境下，例如，在汽油/空氣電機(jī)，在發(fā)電的同時(shí)，使離開(kāi)PEM燃料電池12的空氣排出口30的過(guò)程空氣以可調(diào)節(jié)的百分比返回到空氣入口28，由此維持水平衡。這個(gè)比例可以表示為循環(huán)空氣送排比(recycle-to-air vent ratio)，循環(huán)空氣送排比定義為經(jīng)第一個(gè)氣流閥44的第一個(gè)輸出口50返轉(zhuǎn)到燃料電池輸入口的空氣量與離開(kāi)第一個(gè)氣流閥44的第二個(gè)輸出口54的空氣量之比，第二個(gè)輸出口54用于回收水。最好，為了實(shí)現(xiàn)在例如大約90°F到100°F的高溫工作環(huán)境下的水平衡，循環(huán)空氣送排比大約為2，但是，假如環(huán)境溫度再進(jìn)一步升高，可以稍微地向上調(diào)節(jié)這個(gè)比例來(lái)維持水的平衡。
相對(duì)于采用單通道過(guò)程氣流的標(biāo)準(zhǔn)PEM燃料電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，過(guò)程空氣循環(huán)可以允許從空氣排出口30離開(kāi)燃料電池12的過(guò)程空氣具有較高的溫度。空氣循環(huán)導(dǎo)致空氣的增加或氧的利用，或在過(guò)程空氣中所使用的一定百分比的氧產(chǎn)生副產(chǎn)品水。例如對(duì)于空氣利用率為大約30％的單通道過(guò)程氣流的傳統(tǒng)PEM燃料電池系統(tǒng)，當(dāng)大約2/3的出口過(guò)程空氣量被轉(zhuǎn)向到燃料電池的空氣入口(也就是循環(huán)空氣送排比大約為2)時(shí)，空氣利用率將會(huì)為大約55％?？諝饫寐实奶岣哌€會(huì)導(dǎo)致過(guò)程空氣具有較高的空氣結(jié)露點(diǎn)，因此在離開(kāi)燃料電池12的過(guò)程空氣中允許較高的溫度。較高溫度過(guò)程空氣允許PEM燃料電池在較高的環(huán)境溫度下工作，而仍然維持水的自給自足(也就是說(shuō)，同在電池堆中所產(chǎn)生的水相比，通過(guò)出口孔沒(méi)有失去更多的水)。
在高的環(huán)境溫度下工作的PEM燃料電池的處理方法(trade-off)是，當(dāng)環(huán)境溫度增加時(shí)，在維持水平衡的同時(shí)降低PEM燃料電池能夠產(chǎn)生的額定電功率的百分?jǐn)?shù)。另一個(gè)處理方法是，為了在高的環(huán)境溫度下工作，利用空氣循環(huán)或進(jìn)一步增加循環(huán)空氣送排比的數(shù)值，減少過(guò)程空氣中的氧的濃度，而降低電效率。因此，維持水平衡的循環(huán)空氣送排比的數(shù)值是環(huán)境工作溫度和由燃料電池所產(chǎn)生的額定電功率百分?jǐn)?shù)二者的函數(shù)。正如上面所提及的，作為維持水平衡的另一個(gè)安全措施，循環(huán)空氣送排比也可以是系統(tǒng)中所存儲(chǔ)的冷卻劑的位置函數(shù)。
為了將經(jīng)燃料電池12的氣流閥44的循環(huán)空氣送排比調(diào)節(jié)到能在所檢測(cè)的環(huán)境溫度下能維持水平衡的水平，因此微處理器78接受來(lái)自于溫度測(cè)量裝置76的環(huán)境溫度信息、來(lái)自于電功率測(cè)量裝置70的電輸出功率信息、并且最好還接受來(lái)自于冷卻劑傳感器39的冷卻劑位置信息。通過(guò)將PEM燃料電池系統(tǒng)限制在一個(gè)環(huán)境工作溫度的范圍內(nèi)，能夠很容易地確定維持水平衡的比例系數(shù)，并且對(duì)于每個(gè)溫度確定了同在維持水平衡的同時(shí)燃料電池系統(tǒng)所產(chǎn)生的額定輸出電功率的最高百分?jǐn)?shù)相聯(lián)系的循環(huán)空氣送排比。正如后面將更加全面解釋的那樣，圖4是對(duì)于汽油發(fā)電的PEM燃料電池系統(tǒng)在環(huán)境溫度和獲得水平衡的額定輸出電功率百分?jǐn)?shù)之間的這樣一種關(guān)系的例子。
圖2表示在環(huán)境壓力的PEM燃料電池系統(tǒng)中，就各種不同的燃料，為了維持水平衡或自給自足，排出過(guò)程空氣結(jié)露點(diǎn)與系統(tǒng)空氣利用率之間的關(guān)系。曲線100、110、120、130以及140表示各種不同的燃料汽油、乙醇、甲烷、甲醇、和氫，其排出過(guò)程空氣結(jié)露點(diǎn)和系統(tǒng)空氣利用率之間的關(guān)系。正如從曲線100-140所能看到的那樣，隨著空氣利用率的提高，在較高的繼續(xù)增加的排出過(guò)程空氣結(jié)露點(diǎn)上，水平衡得到了維持?？諝饫寐实奶岣邷p少了在燃料電池空氣入口的過(guò)程空氣和空氣出口的過(guò)程空氣之間的蒸汽壓力差別。因此，通過(guò)廢氣排出口蒸發(fā)的水更少。相對(duì)于利用單通道過(guò)程空氣的燃料電池，增加系統(tǒng)空氣利用率的結(jié)果是，在較高的繼續(xù)增加的排出過(guò)程空氣結(jié)露點(diǎn)上，水平衡得以實(shí)現(xiàn)，這就允許汽油/空氣PEM燃料電池在大約90°F到100°F的較高環(huán)境溫度下無(wú)水損失地工作。
圖3表示各種不同單通道利用率的整個(gè)空氣利用率與過(guò)程廢氣循環(huán)的函數(shù)。特別地，曲線200、210、220、230以及240分別示出了對(duì)于單通道利用率為30％、40％、50％、55％以及60％時(shí)的整個(gè)空氣利用率。正如從曲線200-400所能看到的那樣，增加所循環(huán)的過(guò)程廢氣量(也就是增加循環(huán)空氣送排比)就增加了整體空氣利用率。增加整體空氣利用率就增加了系統(tǒng)的排出結(jié)露點(diǎn)(圖2)，這又提高了環(huán)境溫度，在這個(gè)環(huán)境溫度下，PEM燃料電池系統(tǒng)在維持水平衡的同時(shí)而工作。
圖4表示在維持水平衡的同時(shí)，環(huán)境溫度和冷卻器工作溫度與PEM燃料電池系統(tǒng)的額定電輸出功率之間的關(guān)系。圖4是空氣利用率的曲線圖，該曲線圖表示從額定電功率為大約20％時(shí)的大約60％的空氣利用率(由參考標(biāo)線312所示的、與20％額定電功率對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)位置)到額定電功率為大約100％時(shí)的大約30％的空氣利用率(由參考標(biāo)線314所示的、與100％額定電功率對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)位置)的線性變化。曲線300表示具有過(guò)程空氣循環(huán)的這種關(guān)系，而曲線310表示沒(méi)有過(guò)程空氣循環(huán)的這種關(guān)系。正如通過(guò)曲線300所能見(jiàn)到的那樣，在PEM燃料電池的陰極一側(cè)循環(huán)的過(guò)程空氣的好處在于當(dāng)燃料電池正在滿額定電功率工作時(shí)，在環(huán)境溫度高達(dá)大約90°F到大約95°F之間時(shí)，水平衡得以維持。然而，曲線310表示使用單通道過(guò)程氣流的PEM燃料電池系統(tǒng)僅在高達(dá)大約75°F的環(huán)境溫度下能夠維持水平衡。因此循環(huán)的過(guò)程空氣允許PEM燃料電池系統(tǒng)相對(duì)于單通道過(guò)程氣流系統(tǒng)在一個(gè)更大的環(huán)境工作溫度范圍內(nèi)維持水的平衡。
曲線300進(jìn)一步表示前面所提及的一種處理方法(trade-off)，這種方法中，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燃料電池的額定電輸出功率必須降低。例如，有循環(huán)空氣工作的燃料電池能夠如沿曲線300在點(diǎn)302處所示的那樣在大約93°F的環(huán)境溫度中，在滿額定電功率下維持水平衡。可是，隨著環(huán)境溫度升高到大約100°F，正如沿曲線300在點(diǎn)304處所示的那樣，為了維持水平衡，燃料電池的連續(xù)最大電輸出功率必須下降到其額定值的67％。然而，瞬時(shí)電功率不受影響。
圖5表示在大約100°F的環(huán)境工作溫度下，補(bǔ)充水和汽油發(fā)電環(huán)境壓力50KW的PEM燃料電池系統(tǒng)的電輸出功率之間的關(guān)系。圖5是空氣利用率的曲線圖，該曲線圖表示表示從額定電功率為大約20％時(shí)的大約60％的空氣利用率(由參考標(biāo)線412所示的、與20％額定電功率對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)位置)到額定電功率為大約100％時(shí)的大約30％的空氣利用率(由參考標(biāo)線414所示的、與100％額定電功率對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)位置)的線性變化。曲線400表示循環(huán)空氣送排比為2時(shí)PEM燃料電池的關(guān)系，曲線410表示沒(méi)有循環(huán)空氣的PEM燃料電池系統(tǒng)的關(guān)系。如曲線410所示，在使用單通道過(guò)程空氣的PEM燃料電池系統(tǒng)的滿電輸出功率范圍內(nèi)都需要補(bǔ)充水。相反，曲線400表示空氣循環(huán)的PEM燃料電池系統(tǒng)在額定電輸出功率從0到大約67％的范圍內(nèi)能維持水的平衡或自給自足，這也如圖4中的曲線300上的點(diǎn)304所示。
具有過(guò)程空氣循環(huán)的這種燃料電池系統(tǒng)例如用于汽車發(fā)電是可行的。汽車很少在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以100％的額定電功率工作。通常，汽車工作在額定電功率的大約25％到大約50％的范圍內(nèi)。因此，具有空氣循環(huán)的汽車PEM燃料電池系統(tǒng)在巡視狀態(tài)(cruise conditions)或低運(yùn)行電功率時(shí)積累水，而在高電功率運(yùn)行時(shí)可以消耗水，以便維持總體水平衡或自給自足。
盡管已經(jīng)參考舉例性的實(shí)施例表示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到，在不超出本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出前述的和各種不同的改變、省略和增加。因此，通過(guò)說(shuō)明的方式而不是限制的方式表示和描述了本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種PEM燃料電池系統(tǒng)，包括PEM燃料電池，它具有冷卻劑輸入口和冷卻劑輸出口、燃料輸入口和燃料輸出口、以及空氣輸入口和空氣輸出口，空氣輸入口在大約環(huán)境溫度下連接到新鮮空氣源；可調(diào)氣流分離器，它具有一個(gè)輸入口、第一和第二個(gè)輸出口、以及一個(gè)控制口，用于調(diào)節(jié)從氣流分離器的第一個(gè)輸出口輸出的空氣量與從氣流分離器第二個(gè)輸出口輸出的空氣量的比(循環(huán)空氣送排比)，氣流分離器輸入口與PEM燃料電池的空氣輸出口相連，分離器的第一個(gè)輸出口與PEM燃料電池的空氣輸入口相通；環(huán)境溫度測(cè)量裝置，用于產(chǎn)生溫度信號(hào)；電功率測(cè)量裝置，它與燃料電池的電極相連，用于產(chǎn)生表示通過(guò)燃料電池所產(chǎn)生的額定電功率的百分?jǐn)?shù)的電信號(hào)；和處理器，具有輸入端和輸出端，輸入端與溫度測(cè)量裝置、電功率測(cè)量裝置相連，輸出端與氣流分離器的控制輸入端相連，處理器控制氣流分離器，以便把燃料電池系統(tǒng)的循環(huán)空氣送排比調(diào)節(jié)到預(yù)定值，從而在所檢測(cè)到的環(huán)境工作溫度下和所檢測(cè)到的功率水平上維持燃料電池系統(tǒng)的總體水平衡。
2.如權(quán)利要求1所定義的PEM燃料電池系統(tǒng)，其中，處理器調(diào)節(jié)氣流分離器，以使離開(kāi)燃料電池空氣輸出口的廢氣的大約三分之二量(循環(huán)空氣送排比大約為2)轉(zhuǎn)向而返回到PEM燃料電池的空氣輸入口。為了使單通道氣流的空氣利用率由大約30％上升到大約55％，分離器使離開(kāi)燃料電池空氣輸出口的預(yù)定部分廢氣量轉(zhuǎn)向而返回到PEM燃料電池的空氣輸入口。
4.如權(quán)利要求1所定義的PEM燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與處理器輸入端相連的冷卻劑位置檢測(cè)器，用于當(dāng)燃料電池系統(tǒng)中存儲(chǔ)的冷卻劑量下降到預(yù)定位置或數(shù)值時(shí)通知處理器略微增加循環(huán)空氣送排比。
5.一種操作PEM燃料電池系統(tǒng)的方法，包括以下步驟提供PEM燃料電池；引導(dǎo)燃料或重整油經(jīng)燃料輸入口和燃料輸出口而通過(guò)PEM燃料電池；引導(dǎo)冷卻劑經(jīng)冷卻劑輸入口和冷卻劑輸出口而通過(guò)PEM燃料電池；引導(dǎo)其溫度大約為環(huán)境溫度的新鮮空氣經(jīng)空氣輸入口和空氣輸出口而通過(guò)PEM燃料電池；測(cè)量燃料電池的環(huán)境工作溫度和燃料電池的電輸出功率；調(diào)整氣流分離器，以便將預(yù)定的一部分量的廢氣轉(zhuǎn)向而返回到燃料電池的空氣輸入口，從而將在所檢測(cè)到的環(huán)境工作溫度下維持燃料電池系統(tǒng)中的總體水平衡。
6.一種如權(quán)利要求5所定義的方法，其中，轉(zhuǎn)向而返回到PEM燃料電池的空氣輸入口的過(guò)程廢氣的預(yù)定部分量大約是2/3(即循環(huán)空氣送排比大約為2)
7.一種如權(quán)利要求5所定義的方法，其中，提供PEM燃料電池的步驟包括提供適合于獲取30％空氣利用率的單通道過(guò)程空氣流的燃料電池，以便通過(guò)使離開(kāi)燃料電池空氣輸出口的部分廢氣轉(zhuǎn)向而返回到燃料電池空氣輸入口，使PEM燃料電池系統(tǒng)的空氣利用率達(dá)到大約55％。
8.一種如權(quán)利要求5所定義的方法，其中，引導(dǎo)燃料或重整油的步驟包括引導(dǎo)具有大約40％到大約45％的氫[干基(dry base)]的燃料或重整油。
9.一種如權(quán)利要求5所定義的方法，進(jìn)一步包括以下步驟檢測(cè)存儲(chǔ)在燃料電池系統(tǒng)中冷卻劑量或位置；以及當(dāng)冷卻劑下降到低于預(yù)定位置或低于預(yù)定數(shù)值時(shí)，調(diào)節(jié)氣流分離器以略微增加轉(zhuǎn)向而返回到燃料電池空氣輸入口的部分廢氣量。
全文摘要
一種PEM燃料電池系統(tǒng),包括PEM燃料電池,該電池具有燃料或重整油、過(guò)程空氣和冷卻劑的各輸入口和各輸出口。將離開(kāi)燃料電池空氣輸出口的潮濕廢氣量的預(yù)定部分轉(zhuǎn)向而返回到空氣輸入口,并與在環(huán)境溫度下進(jìn)入PEM燃料電池的新鮮空氣相結(jié)合,以維持在高溫工作環(huán)境下燃料電池中的水平衡。循環(huán)空氣送排比由處理器來(lái)控制,處理器根據(jù)環(huán)境溫度和燃料電池的功率水平來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)流量。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1301406SQ99806384
公開(kāi)日2001年6月27日 申請(qǐng)日期1999年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月19日
發(fā)明者小萊昂納爾·J·邦維爾, 德良·楊 申請(qǐng)人:國(guó)際燃料電池有限責(zé)任公司