[發(fā)明專利]具有排氣系統(tǒng)的PEM燃料電池動(dòng)力設(shè)備

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580052389.3
• 申請日: 2005-12-23
• 公開（公告）號: CN101366140A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: R·達(dá)林;T·斯基巴
• 申請（專利權(quán)）人: UTC電力公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 楊楷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池動(dòng)力設(shè)備，其被非循環(huán)水(NWM)冷卻劑蒸發(fā)地冷卻，即一種NWM?PEM燃料電池系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種能夠在凍結(jié)溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)的PEM燃料電池動(dòng)力設(shè)備。所述系統(tǒng)具有用于將空氣與水分離的空氣-水分離器，所述空氣和水包含在陰極排出流中。來自分離器的空氣然后從所述系統(tǒng)通過防凍劑柱體排出，而且水返回到系統(tǒng)的冷卻劑區(qū)段。

背景技術(shù)

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池組件是較低溫度較低工作壓力的燃料電池組件，其利用催化的聚合物膜電解質(zhì)來處理空氣和富氫燃料以產(chǎn)生電和水。PEM燃料電池很好地適用于機(jī)動(dòng)應(yīng)用，例如汽車、公共汽車等，因?yàn)槠湎鄬o湊、重量輕并且基本上在環(huán)境壓力下工作。這種類型的燃料電池系統(tǒng)可被非循環(huán)水冷卻劑蒸發(fā)地冷卻。冷卻器具有外板，所述外板與包含水冷卻劑的通道一起形成。冷卻器也具有內(nèi)部多孔板，其面對燃料電池的陰極側(cè)，空氣反應(yīng)物流流過所述陰極側(cè)。電池被水冷卻，所述水通過多孔板流向空氣流并且在多孔板中蒸發(fā)以冷卻電池。在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，小量的空氣也通過多孔板擴(kuò)散到水冷卻劑中。陰極反應(yīng)物排出流將包括水蒸汽和空氣的混合物。陰極排出混合物的水蒸汽和空氣組分經(jīng)過冷凝器，在所述冷凝器，水被冷凝出混合物。產(chǎn)生的水/空氣混合物然后經(jīng)過分離器工作站，在這里，從混合物去除冷凝的水，并且從燃料電池組件排出空氣。然后使水返回到燃料電池組件中的冷卻劑流場。系統(tǒng)的分離器排氣部分一般包括通向周圍環(huán)境的通路，所述通路允許受控的空氣通過機(jī)械閥和/或固定噴嘴從分離器流出。這些放氣通路中的閥和/或固定噴嘴用來在正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間控制液體/空氣分離器中的背壓。從分離器排出的空氣流在離開冷凝器后是潮濕的。這個(gè)情況在凍結(jié)條件下引起操作問題，因?yàn)榉艢夤苈分械拈y和/或噴嘴可能凍結(jié)，使得空氣流可能不再受系統(tǒng)正確地控制，因此迫使系統(tǒng)和動(dòng)力設(shè)備的關(guān)閉。通過加熱放氣管路可以解決這個(gè)問題，但是這個(gè)方案在系統(tǒng)中需要附加的加熱設(shè)備，其增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

非常理想的應(yīng)該是具有用于從分離器排出空氣的背壓和流動(dòng)控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)可用于凍結(jié)條件并且在燃料電池動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)期間不需要任何復(fù)雜的機(jī)械裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及一種用于從NWM?PEM燃料電池動(dòng)力設(shè)備中的空氣/水分離器部件排出空氣的改進(jìn)系統(tǒng)，以及一種使用所述系統(tǒng)的方法，所述動(dòng)力設(shè)備主要設(shè)計(jì)用于機(jī)動(dòng)應(yīng)用，例如給汽車、公共汽車等提供動(dòng)力。本發(fā)明的改進(jìn)的排氣系統(tǒng)可用于凍結(jié)條件，并且不包括為正確操作而使用機(jī)械閥和/或機(jī)械噴嘴。燃料電池動(dòng)力設(shè)備是PEM電池動(dòng)力設(shè)備，其一般在相對較低的溫度和高于環(huán)境壓力的壓力下運(yùn)轉(zhuǎn)。

燃料電池動(dòng)力設(shè)備包括常規(guī)的催化聚合物膜電極，所述電極具有接收富氫燃料流的陽極側(cè)和接收空氣反應(yīng)物流的陰極側(cè)。冷卻流場設(shè)置為與燃料電池的活性部分成熱交換關(guān)系以在燃料電池的工作期間冷卻燃料電池。在系統(tǒng)中使用的冷卻劑通常是水。冷卻流場中的冷卻劑不作為經(jīng)過燃料電池組件的液體進(jìn)行循環(huán)。通過冷卻劑蒸發(fā)到反應(yīng)物流場中來完成冷卻。在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，空氣和氫氣反應(yīng)物流比冷卻水處在更高的壓力下，由此，這些氣體可通過電池中的多孔冷卻板吸入到冷卻水中。在該情況發(fā)生時(shí)，這些氣體將溶解在冷卻水中。存在于冷卻水中的任何空氣和氫氣可通過多孔塞從冷卻劑流場排出，所述多孔塞使氣體通過但不會(huì)使液體通過。多孔塞的下游側(cè)比冷卻劑流場處在更低的壓力下，以通過多孔塞從冷卻劑流場抽出氣體，于是氣體可被排出到大氣。在系統(tǒng)以低背壓運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候需要真空。

在動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，水蒸汽將從反應(yīng)以及冷卻操作中蒸發(fā)的水蒸發(fā)到空氣流中，并且將包含在陰極側(cè)的排出流中，所述排出流從動(dòng)力設(shè)備電池組中的電池的陰極側(cè)排出?？諝?水蒸汽循環(huán)通過冷凝器，然后產(chǎn)生的空氣/水混合物循環(huán)通過分離器，在所述分離器，從水組分分離空氣組分，潮濕的空氣組分從系統(tǒng)排出到周圍環(huán)境中。水從分離器返回到冷卻劑流場。

潮濕的空氣流通過疏水多孔體從燃料電池系統(tǒng)排出到周圍環(huán)境，進(jìn)入并經(jīng)過設(shè)置在分離器附近的靜態(tài)的防凍劑柱體。排出流中的空氣通過防凍劑起泡進(jìn)入到周圍環(huán)境中。排出流中的所有的水也經(jīng)過防凍劑。如果有這樣的需要，防凍劑可以是與水不混溶的防凍劑，由此，水成分將上升通過防凍劑并且與防凍劑分離，而且不會(huì)稀釋防凍劑。然后通過微型多孔膜可以從防凍劑層去除水層。防凍劑層將維持燃料電池系統(tǒng)中的所需背壓。

基于多種原因?qū)ο到y(tǒng)中的空氣流加壓。首先，期望在更高壓力下的運(yùn)轉(zhuǎn)通過升高離開電池組的空氣/蒸汽混合物的溫度來部分地改善從系統(tǒng)的排熱。其次，燃料和空氣壓力必須高于冷卻水壓力，以防止水涌出動(dòng)力設(shè)備中的一體化電極組件中的多孔體。