专利名称：用于燃料电池系统的排放装置以及相关调整模式的制作方法
用于燃料电池系统的排放装置以及相关调整模式
背景技术：
本发明涉及燃料电池(FC)领域，特别涉及在低温下工作以及使用薄膜作为电解质方面的应用。所关注的电池一般需要供应有纯净的或实质上纯净的氢气。即使是在将氢气重新注入电池中的“再循环”工作模式中，也需要定期地排放系统以去除污染物，并且防止氮气浓度的增加而对系统性能造成危害。现在已有的一些排放模式中，两种主要模式为 周期性的开启排放阀，一种被称之为“死水端”(dead end)的模式，或者由本领域技术人员根据期望的排放流量来校准生成开口。本发明涉及这第二种模式，该模式相对于第一模式在理论上表现出较大的优势，主要是可以避免第一种模式中固有的氢气流量突然变化的问题。但是在现有技术中校准的开口排放装置存在缺陷，构成操作案例的主体，包含液态水的排出物会产生不均衡的排放流量，最终还是再次生成了第一种模式的缺陷。以下专利申请 (US 2002/006534,US 2005/233191以及US 2006/086074)都具有解决这个问题的趋势，其提供了与相分离功能相耦合的可调整的排放功能。然而，这些专利和专利申请都不能在燃料电池的整个运行范围内调整排放流量。申请文件WO 2007/010372通过提供两个排放阀来解决该问题，所述两个排放阀的流量可以组合以扩大工作范围。然而，这种改进没有提供足够的灵活性来适应利用燃料电池面临的问题。
发明内容
本发明通过提供耦合有相分离功能的排放装置来解决这个问题，所述装置可以通过一种简单的方式进行参数化，以便处理利用燃料电池面临的大多数问题为此，本发明公开了一种电路，所述电路用于回收与燃料电池相耦合的燃料或氧化物，所述电路包括从电池中排放反应产物的装置以及用于分离所述产物的相的装置，所述排放装置构成用于相分离的装置的出口，并且包括均由机电阀控制的多个校准的出口开口，在给定时刻通过控制所述机电阀的开启和关闭以选择有效的出口开口的组，所述回收电路的特征在于所述校准的开口位于外壳中，所述外壳的位于用于分离所述相的装置内的面具有至少一个孔，所述孔的尺寸与所述出口开口的口径相适应，并且能够移动以在选自电气装置和气动装置构成的组中的装置的控制下隐藏所述校准的开口的一部分。有利地，外壳具有基本上圆柱形的形状，以及腔体的内面的运动是旋转运动。有利地，所述分离装置内的面具有单个孔，其位置或者对应于仅一个所述校准的开口的开启，或者对应于所述排放装置的全部钝化(passivation)。有利地，用于分离相的装置内的面具有单个孔，其位置或者对应于至少两个相关出口开口的开启，或者对应于所述排放装置的全部钝化。有利地，在所述排放装置的出口处设置模块，以便对排出物执行选自由稀释、催化焚烧组成的组中的处理。本发明还公开了一种在燃料电池中产生电流的方法，所述燃料电池包括由单个电池构成的组件，所述单个电池具有阳极和阴极，其中的一个或另一个包括用于回收气体混合物的电路，所述组件供应有燃料和氧化物，所述方法包括从所述电池排放反应产物的阶段，在所述排放阶段的出口处，该阶段的排出物的流量由多个校准的开口的打开/关闭来控制，所述方法的特征在于所述校准的开口位于外壳中，所述外壳的位于用于分离相的装置内的面具有至少一个孔，所述孔的尺寸与出口开口的口径相适应，并且其特征在于，所述方法包括通过选自电气装置和气动装置组成的组中的装置来移动所述外壳的内面的阶段， 以便隐藏所述校准的开口的一部分。有利地，在所述排放阶段的出口处，用于排出物的流量控制的模式与氢气馈送线路中的压力变化结合。本发明另外体现的优点在于提供更大的紧密性，因为现有技术中这两个功能在两个物理分开的装置中执行，而本发明将其集成在一个组件中，所述组件具有其(相分离器) 尺寸。而且，多个替代实施例使得可以具有宽泛的工作功率范围，如果合适通过提供承载一个或多个开口的圆柱体，由一个或多个阀门来可选地控制所述一个或多个开口，每个圆柱体针对一个工作范围进行优化。最终，从说明书可以得到，这些想法和装置都很简单且制造、维护以及管理起来廉价。
通过下面说明书中的多个实施例以及附图的描述，可以获得对本发明的多个特征和优点更好的理解，在附图中图1表示现有技术中具有根据专利申请US 20060110640的氢气循环装置的燃料电池的架构图；图2表示本发明的一个实施例中包括了用于排放气体的校准的开口的相分离器的流向图；图3表示本发明的一个实施例中从三个校准的开口中选择一个用于排放气体的校准的开口的选择器；图4表示本发明的一个实施例中从五个校准的开口中选择零个、一个或两个用于排放气体的校准的开口的选择器；图5表示现有技术的示例，其通过在氢气管线中周期性排放来调整氮气的浓度；图6表示本发明一个实施例中的示例，其通过交替地开关结合有校准的开口的排气管来调整氢气管线中的氮气浓度。具体实施模式图1表示现有技术中具有氢气循环装置30的燃料电池10的架构。燃料电池是单个电池20的叠置体，在所述单个电池中，在连续引入的两种反应物之间发生电化学反应。 燃料被引至与阳极接触，同时氧化物引至与阴极接触。该反应被分成两个半反应(氧化反应和还原反应)，其一方面发生在阳极/电解质的界面，另一方面发生在阴极/电解质的界面。只有在两个电极之间存在离子导体(电解质)和电子导体(外部电路)时，它们才会发生。电池叠置体只是反应的场所反应物必须引入到这里，产物和惰性物质必须得从这里释放，就跟产生的热一样。最终，电路必须连接到电池叠置体的两个端子。在使用氢气和大气作为反应物的系统中，空气通过压缩机传送到电池，并在进入电池阴极之前先通过一系列组件(过滤器、热交换器、加湿器、等等)。在阴极出口处，空气一般满载液体或气体形式的水。这些水的一部分会依据加湿需求而收回，然后其余的气体经由放气阀进行释放，这使得能够保持管线压力。在阳极侧，氢气可以来自多个不同的源，这些源也是压力的源，这使得能够避免需要使用用于压缩气体的装置。因此，通常是在管线中通过施加了计划压力的一个或多个减压阀或电磁控气流阀后再传送至电池。在电池的出口处，存在多种情况或者存在于阳极的气体足够纯，这样它能够部分地再注入至电池入口，以便给电池提供足够的水供应，或者只是以有规则的间隔简单地排放以便释放污染物，同时使得排放的氢气的量最小化。在第一种情况中，所使用的术语为氢气的再循环，并且这是关于供应氢气和空气的系统中最常见的工作模式。之所以必须要在阳极上使用这两个运行模式中的一个的主要原因，是在阴极侧和阳极侧之间通过薄膜传输氮气。然而，即使在再循环的情况下，排放也是必须的，以便防止氮气浓度达到高到危害电池性能的值。因此最常见的操作中结合了再循环和排放。在图1中，排放阀40安装在再循环电路30的支线上。在现有技术的实施方式中并不提供相分离器。然而，该部件对于结合了再循环的FC系统的运行是必不可少的。 这是因为液态水在强迫循环气体穿过装置(泵或喷射器)时能够对电池或其辅助装置的运行造成危害，这是由于氢气(很轻)和液态水的巨大密度差造成的。事实上，在阳极侧的电池出口处，液态水在大部分运行状态下都存在。此外，如果经由校准的开口来连续不断地排放，两相的液体也会因排放流量不均勻而产生问题。此外，在相分离器的出口收回的水可以重新注入加湿器60中。这是因为FC中电池的电解质膜的加湿对其满意的运行是必须的功能。如图2所示，其表示结合了用于排放气体的校准的开口的相分离器的流向图，在本发明的一个实施例中，相分离器50设置在再循环线路的支线上。附加的出口插入相分离器的腔室，并且包括排放装置40。在本示例中，排放装置是开口，其口径根据所提供的排放流量来选择。有利地，开口位于分离器出口附近的区域，其中气体可以自由的从入口处存在的所有液体处散发。通过示例，对于具有20千瓦标称功率的电池来说，排气流量在1至2Sl/min之间变化，以用于气体排放操作，并且排水速率在10至eoml/min之间变化，以用于排水操作。在这种实施方式中，排放流量不可调整。然而，可以提供阀门用于周期性开/关校准的开口的下游，其能够实现好的控制。通过调整阀门开关的次数，可以减少氢气损失。在需要更好地调整排放流量的情况下，依据工作点，典型地以到3/4Sl/min的流量排放气体，一些具有不同横截面的校准的开口的排水管可以被安装在分离器上。每个由此产生的排放线路可以与阀门相连，该阀门致使它在系统运行时工作或不工作。替代地， 用于选择开口的装置可以被直接安装在相分离器上。如果开口位于相同的线路，可以使用穿孔的平板，该平板重新安置，以便在平板上产生一个或多个孔与一个或多个校准的开口对应。因此，就紧密性而言，将开口环形设置是最有优势的配置。然后，选择器为开孔的圆盘，它能够足够的旋转，以便在其中存在与一个或多个校准的开口对应的一个或多个孔。图3和图4表示选择器的两个示例，其能够用于更好的理解该装置的操作。在图 3中，位于圆柱体的内面上的圆盘仅具有一个孔，其直径比分离器的校准的开口的最大开口还要大。其可以产生三个开口位置，每个都对应于开口中的一个，在圆盘的所有其它部分不能进行排放。在图4中，圆盘也仅包括一个孔，但是其具有特殊的配置，使得其能够用于同时打开两个相关的开口，这使得其可以选择五个不同的流量。作为示例，对于20kW的电池来说，校准的孔可以具有0. 15,0. 2,0. 25mm的直径。这种直径分布使得能够在真实生活的情况下控制排放流量。应注意的是，在启动期间，氢气压力很低，所以连择器位于最大的孔上。随着压力的上升，选择器会改变位置，以确保一致的排放流量。该比例取决于压力、温度和所使用的电池芯技术。以上所述的包括一个或多个开口的分离器可以直接连接至用于在空气中加湿的模块或连接至催化焚烧器。这种连接也可以通过阀门来进行，所述阀门在一些操作阶段将提供排放的密封关闭。最后，为了进一步获得FC系统的紧密性，像那些上面被描述的相分离器可以被结合至顶端或在其所连接的燃料电池端板上。以上所述的包括一个或多个开口的分离器可以直接连接至用于在空气中加湿的模块或连接至催化焚烧器。这种连接也可以通过阀门来进行，所述阀门在一些操作阶段将提供排放的密封关闭。根据所描述的情况，具有上述各种相分离器的排放管理或多或少地更灵活-具有单个开口，排放流量仅取决于相分离器中氢气压力。一种调整该流量的方法是能够改变氢气管线中的压力后者将跟据电池供应的功率来变化；在这种情况中，当通过减小排放流量来改进系统性能时，低压力将用于低功率情况；为了低功率，如果需要，它能够回到周期性打开开口下游的阀门的模式。-具有多个开口，使用例如上述的那些选择器，容易引起流量的变化。选择器可以通过电气和/或气动装置来设置运行；如同在前的情况中，可以根据电池供应的功率水平来与氢气压力的变化结合；在这里能够想象到周期性的开启开口下游的阀门的操作模式。开口下游的阀门的周期性开启能够在氢气管线中很好地调整氮气浓度。由于在阀门打开阶段浓度降低的速率更慢的事实，与现有技术中采用的排放系统相比，其区别在于能够更精确地进行调整。图5表示的是现有技术的一个示例，其通过周期性排放，在氢气管线中调整氮气浓度。氢气管线中氮气浓度在排放阀打开情况下突然下降(从60%降到0)，然而在阀门关闭情况下其缓慢增加。因此也可以通过组合阀门和上述的校准的开口来利用这些慢动力学 (slow kinetics)。为了限制在某些工作阶段通过开口的氢气的损失，周期性关闭排放阀能够很好的减小离开的流量(例如通过因子2，打开时间和关闭时间比例为1)，同时在与燃料电池的有效操作相兼容的范围内调整氮气的浓度。然后示出了几乎等效于一个更小的开口的系统。图6表示本发明一个实施例的示例，其是通过结合了校准的开口的排放管线的交替打开和关闭来操作氢气管线的模式。在这种情况中，开口打开和关闭的持续时间更接近， 并且氮气浓度的变化范围保持很窄(在该示例中在30%到40%之间)。以上所述的示例通过示出本发明的实施例来给出。这些不以任何方式对本发明的范围进行限制，本发明的范围由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种用于回收耦合至燃料电池(10)的燃料或氧化物(30)的电路，所述电路包括用于从所述电池中排放反应产物的装置GO)以及用于分离所述反应产物的相的装置(50)， 所述排放装置构成用于分离所述相的所述装置的出口，并且包括多个均由机电阀控制的校准的出口开口，控制所述出口开口的打开和关闭以便选择在给定的时刻开启的出口开口的组，所述回收电路的特征在于所述校准的开口位于外壳中，所述外壳的位于用于分离所述相的所述装置内的面具有至少一个孔，所述孔的尺寸与所述出口开口的口径相适应，并且能够移动以在选自电气装置和气动装置构成的组中的装置的控制下隐藏所述校准的开口的一部分。
2.根据权利要求1所述的回收电路，其特征在于，所述外壳具有基本圆柱形的形状，并且其特征在于所述腔体的内面的运动为旋转运动。
3.根据权利要求2所述的回收电路，其特征在于，所述分离装置内的面具有单个孔，其位置或者对应于仅一个所述出口开口的开启，或者对应于所述排放装置的全部钝化。
4.根据权利要求2所述的回收电路，其特征在于，用于分离相的所述装置内的面具有单个孔，其位置或者对应于至少两个相关的出口开口的开启，或者对应于所述排放装置的全部钝化。
5.根据上述权利要求中任一项所述的回收电路，其特征在于，在所述排放装置的出口处设置模块，以便对排出物执行选自由稀释、催化焚烧组成的组中的处理。
6.一种在燃料电池中产生电流的方法，所述燃料电池包括由单个电池构成的组件，所述单个电池具有阳极和阴极，其中的一个或另一个包括用于回收气体混合物的电路，所述组件供应有燃料和氧化物，所述方法包括从所述电池排放反应产物的阶段，在所述排放阶段的出口处，该阶段的排出物的流量由多个校准的开口的交替打开/关闭来控制，所述方法的特征在于所述校准的开口位于外壳中，所述外壳的位于用于分离相的所述装置内的面具有至少一个孔，所述孔的尺寸与出口开口的口径相适应，并且所述方法的特征在于，所述方法包括如下阶段通过选自电气装置和气动装置组成的组中的装置来移动所述外壳的内面，以便隐藏所述校准的开口的一部分。
7.根据权利要求6所述的用于产生电流的方法，其特征在于，所述回收电路如权利要求2所述来制造。
8.根据权利要求7所述的用于产生电流的方法，其特征在于，在所述排放阶段的出口处，用于排出物的流量控制的模式与氢气馈送线路中的压力变化结合。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃料电池(FC)的排放装置。来自包括再循环电路的氢燃料电池的排出物必须定期地进行排放，以便确保最佳操作。现有技术中的排放装置的特征在于排出物中的氢浓度的显著变化。本发明包括将排放装置并入用于分离排出物的液相和气相的装置内。有利地，提供了用于调整排放流量的装置，其能够限制排放的排出物中氢的损耗。
文档编号H01M8/04GK102160222SQ200980129087
公开日2011年8月17日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月25日
发明者F·罗伊, G·容凯, J-P·普瓦罗-克鲁弗齐耶, S·加尼特 申请人:原子能和辅助替代能源委员会, 标致·雪铁龙汽车公司