专利名称：用于电化学电池的加压氢输送系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于电化学燃料电池的氢燃料输送系统，并且更具体涉及氢存储及输送系统。
背景技术：
电化学燃料电池在大量应用中作为动力源使用，包括作为车用内燃机的替代动力源。电化学燃料电池包含夹在电极间的膜。一种优选燃料电池被称作质子交换膜(PEM)电池，其中氢(H2)在阳极用来作为燃料源或还原剂，而氧(O2)以纯净气态形式或者与空气中的氮气和其它惰性稀释剂组合提供到阴极作为氧化剂。在燃料电池的操作过程中，通过在燃料电池内发生的还原-氧化反应过程中产生的电势由电极附件的导电元件存储电力。
燃料电池堆栈包括捆扎在一起形成高压包的多个单个电池。对于很多的应用，并且特别是电动车辆应用，所希望的是燃料电池堆栈能够快速启动以便在没有显著延迟的情况下立即产生推动车辆所需的能量。此外，氢供给装置必须在操作过程中给燃料电池堆栈加燃料。在固体材料中存储的氢提供相对高的容积氢密度和紧凑的储存介质，这对移动应用特别有利。由于氢可以在适当的温度和压力状态下释放或解吸从而提供可控的氢源，存储在固体中的氢是所希望的。
目前，希望增加氢存储容量或从材料中释放的容积，同时减小材料重量以改善重量容积。此外，目前许多材料仅在非常高的温度或压力下吸收或解吸氢。因此希望找到在相对低的温度和压力下产生或释放氢并且具有相对高的重量氢存储密度的储氢材料以及氢存储及输送系统。
因此，希望一种尽可能成本有效地优化燃料电池性能的用于燃料电池的改善氢存储及输送系统。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池的氢输送系统，其包括用于收容储氢材料的流体存储容器。储氢材料存储氢。该输送系统还包括用于存储并将氢输送到至少一个燃料电池的流体压载容器。加压装置适于对从存储材料中释放的氢加压以便输送到压载容器。
在另一方面中，本发明提供一种氢输送系统，其包括容纳释放氢气的储氢材料的流体存储容器。氢输送系统包括与流体存储容器流体连通以便对释放的氢气进行加压的流体加压装置。液态压载容器适于接收并存储来自液态加压装置的加压氢气。氢输送系统进一步包括至少一个使用氢气作为反应物的燃料电池，其中加压氢气在基本恒定的压力下以流体流的方式从压载容器输送到燃料电池。
在另一方面中，本发明提供一种给燃料电池提供氢反应物的方法，其包括从储氢材料中释放氢气，对氢气进行加压，将加压氢气存储在压载容器中，以及将加压氢气从压载容器输送到燃料电池。加压氢气的压力优选大于或等于燃料电池的操作压力。
从下文中所提供的具体描述可知本发明的其它应用领域。应该理解，显示本发明优选实施例的具体描述和特定示例只是用于解说的目的，决不意味着限制本发明的范围。
通过详细描述和附图可以更全面地理解本发明，其中图1显示根据本发明的燃料电池堆栈的燃料输送系统的优选实施例；图2是示范性储氢材料的压力-浓度-温度(PCT)曲线图；
图3显示燃料电池堆栈的燃料输送系统的备选的实施例，其中流体加压装置和流体搬运(handling)系统具有公共驱动机构；以及图4显示燃料电池堆栈的燃料输送系统的另一个备选实施例，具有用来在燃料电池系统中加压和传输流体的单个流体加压装置。
具体实施例方式
优选实施例的后续描述实际上仅是示范性的，并且决不倾向于限制本发明、其应用或使用。
在一方面中，本发明提供一种用于燃料电池的改进燃料输送系统。在本方明的优选实施例中，氢可逆地保存在储氢材料中。储氢材料容纳在流体存储容器中，例如罐。如本申请所使用的，术语“流体”倾向于广泛包含气体以及气体，蒸汽和液体的混合物，例如具有夹带液体或其它稀释剂的气体。储氢材料优选是具有氢化态和脱氢态的固体材料。通过使氢化态的储氢材料受到适当温度和压力状态的影响，储氢材料将释放或解吸气态氢。以这种方式，储氢材料用来作为在例如氢氧PEM燃料电池作为燃料(即反应物)的氢气的固态源。此外，在本发明的优选实施例中，在所有氢从储氢材料的氢化态释放出以后，可以利用氢气对该材料的脱氢态进行再充以便使储氢材料的氢化态再生，并且从而为燃料电池补充氢源。本发明的优选实施例能够在所希望的并且基本恒定的压力水平下稳定地向燃料电池堆栈传送氢气。如申请所使用的，术语“基本”是指允许竖直略微偏差或波动的近似值。如果，因为某些原因，由“基本”带来的不精确在本领域无法以其它方式理解，那么本申请所使用的“基本”表示最多10％的可能数值变化。
现有技术的燃料输送系统通常具有容纳储氢材料的氢存储装置，其中氢存储装置直接与燃料电池流体连通。这种燃料传递系统通常将可用材料的范围限制到具有在对应于燃料电池的操作状态的温度和压力状态下释放氢的特定物理特征的材料。如下文更详细描述的，本发明的一方面在于流体存储容器中的储氢材料和操作状态相对独立于燃料电池的操作状态(例如，温度和压力)，因而能够产生更有效的氢输送系统，并扩大可以使用的储氢材料的范围(通过加宽物理属性需求)。
如图1所示，本发明的一个优选实施例具有根据本发明的氢输送系统20，其包括优选包括多个使用氢和氧作为反应物的燃料电池24的示范性燃料电池堆栈22。这种燃料电池24优选是在阳极消耗氢并在阴极消耗氧，并且在电池堆栈中彼此串联以产生电力的质子交换膜(PEM)燃料电池。燃料电池堆栈22连接到向阴极侧入口通道28输送氧作为燃料电池24的反应物的氧源26。燃料电池堆栈22同样具有从燃料电池堆栈22排出的阴极流出物流30。同样地，如将在下面更详尽讨论的，燃料电池22具有氢反应物经其进入燃料电池堆栈22的阳极侧入口通道32和用于从堆栈22移除阳极流出物的阳极出口通道34。
提供容纳固态储氢材料(未显示)的液态存储容器40。储氢材料在固体氢化态存储氢，而当受到适当温度和压力状态影响时释放氢气，以形成脱氢态。存储容器40具有通向入口阀门44的入口导管42，以及连接到出口通道48的出口阀门46。出口通道48连接到流体加压装置60的入口50。流体加压装置60可以是使流体压力增加以对应于燃料电池24的所需操作状态的任何装置，并且可以包含压缩器、鼓风机、泵或类似装置。如图示并且在本申请参考的非限制的示范性流体加压装置60是压缩机。流体加压装置60可以布置用作双重功能，当作用于在燃料电池系统20中循环流体的流体循环装置，以及用于增加燃料电池系统20中流体压力的流体加压装置。连接通路62将加压装置60的出口54连接到缓冲件或压载容器70，例如加压存储罐。因此，在液态存储容器40中产生的氢气在流体加压装置60中压缩并加压然后经连接通路62输送到压载容器70。应该注意到包含氢气的流体流可以进一步包括稀释剂和其他化合物或成分。压载容器70存储加压的氢气并在正常稳态操作过程中在基本恒定的压力下将其输送到燃料电池堆栈22作为燃料/反应物，到达燃料电池堆栈22的阳极入口通道32。如本申请所使用的“正常”、“稳态”、“非启动”或“操作模式”状态是指当温度在典型的操作范围内时的操作状态。对于燃料电池的“瞬态”状态一般指当燃料电池过渡或从冷态接合(即，启动过程)以实现操作温度、燃料输送和电流输出的稳态正常范围时，或者在当移动应用经历功率增加需求或需要相对短时间周期的功率需求量负载调整时的可变操作状态过程中的瞬态操作状态。
在许多燃料电池中，氢气反应物仅部分消耗，并且对阳极流出物中氢的未消耗部分在配置为具有回收/再循环回路的流体搬运系统72中从阳极出口34再循环/回收到阳极入口32。在本发明的优选实施例中，燃料电池堆栈系统20包括包含流体搬运装置74的流体搬运系统72，例如，用于经系统20从和向燃料电池堆栈22循环流体的泵、压缩机或鼓风机。在如图1所示的实施例中，再循环回路流体搬运系统72进一步包括用来运输流体的管道或再循环通道76。如所示的配置中，流体搬运系统/再循环回路72连接到压载容器70，其中来自再循环回路72的流体与存储容器40内产生的氢气结合。来自流体搬运系统72的氢气的压力通常与电池堆栈22相似，因此与燃料电池24的操作压力相似。因此，压载容器70中的流体混合物包括从储氢材料中释放的由流体加压装置60加压的氢气和来自加压再循环回路72的回收氢气，以及其他稀释流体和化合物(例如，水或氮气)。因此，在某些优选实施例中，燃料输送系统20在堆栈22中包括阳极侧组件(包括多个燃料电池的多个阳极)，其中压载容器70向阳极组件的入口32供给氢，而压载容器70从组件的出口34接收的流出物。
应该注意到，在本发明的范围内，压载容器70可以包括连接到外部氢供给源的附加阀门(未图示)和管道(未图示)，因此向系统20提供附加氢源。虽然未图示，再循环回路/流体搬运系统72还包括用于减少循环回路中的水和氮浓度的净化阀门系统。此外，如本领域技术人员所意识到的，流体输送系统20和氢再循环系统72优选在系统20中的适当位置装配检查和/或隔离阀门，在本申请中未进行描述。
在本发明的优选实施例中，存储容器40具有至少一个压力传感器78和至少一个温度传感器80。还优选的是压力传感器82位于加压装置60的出口64或者在通道62内(未图示)。还优选的是压载容器70具有压力传感器84。同样地，典型的是燃料电池堆栈22具有一个或多个温度和压力探针(未图示)，和流量表(未图示)。尽管在图1中未描述，本发明可以任选性包括位于存储容器40的出口或压载容器70的出口的流量表。如本领域技术人员所意识到的，这些压力、温度和流量传感器能够通过控制进行系统操作的监测和系统自动控制。
本发明的优选实施例使用由位于压缩机出口64的压力传感器82测量的气体压力通过作为设定点变量通过控制回路调节加压装置/压缩机60的操作。因此，在某些优选实施例中，压缩机60以逐渐增加的较低压力从存储容器40吸出气体以便保持气流处于恒定压力。通过这种方式下，本发明能够在较低温度和压力下释放氢，并且进一步通过同样降低周围环境压力对储氢材料中逐渐降低的平衡释放压力进行补偿，本质上将储氢材料中的氢气吸出。
在脱氢储氢材料的再充过程中，优选的是高压氢供给装置连接到连接入口阀门44的入口管道42。在再冲过程中，入口阀门44打开并且出口阀门46关闭，以便允许存储容器40内的氢气过压，产生更大的差动压力，促进更大驱动力以及氢气的充装或再吸收速率。当氢气从存储材料释放是，入口阀门44关闭，以便能够降低氢气存储容器40中的压力。
在由储氢材料从存储容器40释放氢气的同时，气体通过增加氢气压力(即，加压)的加压装置60。优选的是加压装置60将氢气加压成与稳态操作过程中燃料电池堆栈22的压力水平基本相当或者备选大于的水平。在稳态操作过程中，优选的是存储容器40的压力小于流体压载容器70的压力。还优选的是流体压载容器70的压力大于或等于在其操作过程燃料电池24的压力。然而应该注意的是，压力值的范围可以与燃料电池24的操作压力显著不同。因此，例如，在启动状态过程中，目前公知的启动方法包括给入高达30绝对标准大气压(atm)的氢气。因此，加压装置60可以在宽压力值范围中提供加压气体，并且这些值可以进一步基于所选择的操作场景改变。随后，加压氢气存储在压载容器70中。随后，加压氢气从压载容器70如所需地以预定压力水平输送到燃料电池堆栈22的阳极入口通道32。本发明的一个优点包括增设压载罐70，其提供用于改变燃料电池系统20不同的负载状态的缓冲件。例如，压载容器70优选具有足以在高负荷状态过程中按需提供额外的氢的容量。因而，存储容器40并不专用于燃料电池堆栈22并且氢输送不仅仅是实时的，允许平滑的持续操作以及操作的灵活性。
在本发明的优选实施例中，储氢材料以基本可逆的方式存储氢。如本申请使用的术语“材料”广泛地指包含至少优选的化学化合物的物质，但其还可以包括附加物质或化合物，包括杂质。术语“成分”也广泛地指包含优选的化合物或成分的物质。“基本可逆”是指在解吸反向反应过程中，该材料释放在吸收反应或正向反应过程中所吸收的氢的约80％或更多。这种可逆过程被称作为氢化。氢化过程的一个例子如方程式(1)所显示的 其中M(s)是固态氢吸收金属合金，MHy(s)是固态金属氢化物，并且氢(H2(g))以气态方式提供。方程式(1)是固-气反应过程，其中在放热充装反应过程中吸收氢气，而在吸热排放反应过程中释放氢气。化学计量取决于成分和M的总电荷，因此将氢化物表示为MHy是更通用的表达式，其中选择y来提供电荷平衡。在氢化状态，储氢材料存储吸入的氢气，并随后在适当的温度和压力状态下以气体状态释放。随着氢气释放，储氢材料形成脱氢态。在基本全部氢气从储氢材料释放并且基本所有材料脱氢后，储氢材料需要通过暴露于氢或备选由新的储氢材料替换而进行再生。
在本发明的各种实施例中，储氢材料可逆地存储和释放氢，其中通过暴露于氢气发生再充，使得储氢材料再生成氢化态。在本发明的优选实施例中，储氢材料能够通过在工业可行的温度和压力状态下使脱氢态受到氢影响而利用氢气从脱氢态重再充到氢化态。一般说来，这种状态包括大于大气压力的氢压力，并且可以承受大于外界的温度。如本领域技术人员所意识的，这种状态由各储氢材料化合物特征规定，并且因而可以进行相应变化。
在另一个实施例中，储氢材料通过“不可逆”的反应释放氢(其中再充状态需要相当大的附加处理或更多的极限温度和压力状态)。一旦不可逆的储氢材料释放出全部的氢并耗尽，它可以从储氢舱中移除并由充氢的新储氢材料替换。
目前公知的可逆存储氢的存储材料具有对应于放热氢化反应和吸热解吸/释放反应的反应热力学。因此，在本发明的优选实施例中，基于目前公知的可逆储氢材料，氢化反应是放热的，而解吸/释放反应是吸热的。然而，本发明对存储氢的任何储氢材料都是有用的，并且不限于那些公知的具有这种反应热动力学的反应系统。因此，在本发明的某些实施例中，如将在下面介绍的，为促进所需的氢释放反应，本发明考虑到对储氢材料加热。
本发明的一个方面是减少从储氢材料中移出或释放氢所需的能量。储氢材料的选择通常关注各种的储氢材料的平衡压力。如图2所示，显示了在恒定的温度下(即，等温线)在金属合金中氢浓度的一定范围内(以氢与金属的原子比率表示)用于在示范性储氢材料金属合金氢化物中吸收和解吸氢的平衡压力。在给定的恒定温度或等温线下，金属合金中氢的浓度随氢气压力的增加而增加(A点)。在所示的例子中，平衡压力经过该范围达到由B指示的相对恒定的值。平衡压力这种平直区域一般称为“平台压力(plateau pressure)”。经过平台压力范围B，材料中的氢通过同金属合金反应并形成氢化物而浓缩成高浓度固相。
气态氢的压力保持恒定，直到氢化物态占据氢吸收材料的全部体积。一旦达到特定的金属合金的满容量，气体中的氢压力再一次增加(C点)。为了逆转此过程并从金属合金中释放氢，氢吸收材料的周围环境中氢的外界气压降低到平衡压力以下，或者材料的温度提高到使得其达到外部压力低于平台压力(B点)的温度，从而有利于氢释放。温度通过将等温曲线平移到较高或较低压力来影响平衡压力。
本发明的一个方面是将收容储氢材料的流体存储容器40保持在与燃料电池堆栈22的温度和压力状态显著不同的温度和压力状态下。以前，储氢材料和存储容器40与燃料电池堆栈22直接流体连通，并且因而需要在与燃料电池24的操作状态相当的温度和压力状态下释放氢。因而，现有技术的储氢材料选择规定存储材料在与燃料电池24的操作状态相当的压力下释放氢(例如，从2到5atm范围内目前公知的燃料电池操作压力状态内的某个值)。为了实现这种高平衡压力，选择的材料必须能够在较高平衡压力下释放氢，并且必须近一步加热到对应于高压的温度(高的等温线)。此外，如图2所示的，当储氢材料源直接向燃料电池堆栈22提供氢时，选择的材料通常具有平台压力平衡压力特征。稳定的平台压力使材料能够在相对恒定的压力和温度下释放氢。
本发明的优选实施例允许选择具有不同于现有技术的储氢材料选择的材料特征的更大类储氢材料。本发明优选的实施例允许流体存储容器40具有与燃料电池堆栈22显著不同的状态，这拓宽了使用于本发明的氢材料成分的范围。例如，材料可以具有差别巨大的吸收/解吸的动力和平衡值，其不必适应燃料电池需要(例如，并不需要在对应于燃料电池堆栈的高压力下释放氢)。同样，如本领域技术人员知道的，由于具有通过加压装置60将压力降低到接近真空水平的能力，储氢材料的平衡压力并不一定呈现平台压力配置，而是可以具有任何配置。
本发明的另一个优点在于储氢材料可以在低压力和温度下释放氢，因为加压装置/压缩机60将气体抽出流体存储容器40，在存储容器40的内部产生接近真空的状态。然而，储氢材料分别具有最低特征温度，在该温度下，不管周围压力怎样材料不解吸或释放氢。因而，本发明的氢输送系统在高于各单个储氢材料的最低温度的状态下进行操作。此外，通过储氢材料的反应动力学释放氢的速率取决于温度。因此，储氢材料的最低温度可以同样对应于用燃料供给燃料电池堆栈22所需的(特别是在高负荷需求过程中)的最低释放速率。这种温度同样取决于储氢材料的选择。
本发明提供了测量在储氢材料中剩余氢燃料数量的能力。流体加压装置60调节成具有恒定的出口压力(在82测量)。然而，随着压缩机60将储氢材料中的额外氢吸出，因而减少了其氢容量，析出额外的氢所需的存储容器40内的温度和内部压力同样改变。因而，通过监测流体存储容器40的温度和压力(通过传感器78、80)，可以通过使用公知的这些储氢材料的PCT数据建立这些变量和氢浓度的关系。监测剩余氢反应物数量的其他替代方法可以包括量化出口通道48的流速并基于储氢材料的公知存储容量监测使用情况。
本发明的一个优选实施例中，储氢材料氢化物由通式MyHy表示，其中M表示除了氢以外的一种或多种阳离子，y表示M的平衡价态，其中平衡价态保持化合物的电中性。依照本发明，M表示除氢外的一种或多种阳离子核素(cationic species)或阳离子核素混合物。因此，根据本发明储氢材料考虑到M包括复合阳离子，其包括两种或更多种的不同阳离子核素。本发明所有优选实施例所优选的阳离子核素包括金属阳离子以及非金属阳离子，例如硼。
通常被称为复合氢化物的某些储氢氢化物包括两个阳离子核素，但是阳离子核素中的一个与氢形成阴离子组，其进一步与第二个阳离子核素相互作用。这个概念可以由具有表示为MyHy的氢化物的以下表达式表示，其中M包括两种不同的阳离子核素A和B，以使M＝A+B。这样，氢化物可以表示为Ada(BbHc)a-d，其中(BbHc)是阴离子组，其中d＝(c-b)并且a、b、c和d选择为保持电荷平衡和化合物的电中性。“A”是优选为稀土金属或钙(Ca)、镁(Mg)或钛(Ti)的第一阳离子核素，而“B”是优选为过渡金属或铝的第二阳离子核素。根据本发明的稀土金属包括镧(La)、钕(Nd)、铈(Ce)，镨(Pr)，并且过渡金属可以包括铁(Fe)、锡(Sn)、镍(Ni)、铝(Al)、钴(Co)并且锰(Mn)也是优选的。“A”还可以是可商业购得的主要为Ce、La、Nd以及Pr的稀土元素的混合物的混合稀土金属(在本领域标识为“Mm”)。因而，优选复合氢化物的例子在脱氢态的具有标称通式AB、A2B、AB2以及AB5。这种优选化合物的非限制性例子包括AB为TiFe；A2B为Mg2Ni；AB2为CaMg2，ScFe2以及TiCr1.4V0.6；而AB5可以是LaNi5以及MmNi5。LaNi5是特别优选的氢吸收金属合金/低温氢化物化合物。除上述材料以外，其他有用的储氢材料包括含镁或镁基金属氢化物。有用的例子包括上述A2B类的那些材料(比如Mg2Ni)以及镁金属(Mg)及其合金。
氮基或含氮的储氢材料也与本发明兼容。包括含氮化合物的储氢材料考虑用于本发明，并且例如包括包含由表达式Mc[(NH)-2]c/2表示的酰亚胺的氢存储化合物，其中M表示除氢外的至少一种阳离子核素，而c表示M的平均价态，并且氢化后形成优选地由通式Mc[(NH)-1]c表示的氨基化合物。这种含氮储氢材料系统对本发明是有用的，包括2003年6月25日申请的美国专利申请No.10/603,474以及2003年8月26日申请的美国专利申请No.10/649,923中所述的那些材料，本申请通过参考结合了上述申请。
其他有用的储氢材料系统包括由标称通式M’xM”yNzHd表示的储氢材料，其中(a)M’是从Li、Ca、Na、Mg、K、Be及其混合物组成群组中选出的阳离子，x大于大约50并且小于大约53；(b)M”包括包含元素周期表中13族元素的阳离子成分，y大于大约5并且小于大约34；(c)N是氮，z大于大约16并且小于大约45；(d)H是氢并且处于完全氢化态，d大于大约110并且小于大约177；并且(e)其中选择M’、M”、x、y、z和d选择成保持电中性。由上述表达式表示的特别优选的储氢化合物的例子包括锂硼二氮氢化物(Li3BN2H8)。这种化合物在2004年2月27日申请的美国专利申请No.10/789,899中进行了描述，并且本申请通过参考结合了该专利申请。
如图1中的实施例所示，存储容器连接到传热装置90(例如，热交换器)。这种传热装置90优选循环热传递介质以便通过传热循环系统(未图示)进行加热、冷却或二者。在储氢材料通过吸热机制释放氢并且通过放热机制吸收氢的实施例中，传热装置90中的传热介质在氢释放过程中将向存储容器40传热(如果需要)或从存储容器40中去除热量。如果需要，热量传递装置90既可以加热也可以去热。本实施例的一个方面是通过从存储容器40的储氢材料中吸出氢气的压缩机60降低存储容器40中的压力，因此需要相对低的平衡温度来释放氢。传热装置90能选择性的操作，并且优选地其操作取决于存储容器40中测量的温度。
在图3中显示了本发明的一个备选的优选实施例。在所示的实施例中，流体加压装置100和流体搬运系统102共享公共的驱动机构或马达104。本实施例中的氢输送系统110中所有其他元件的配置都与图1所示的实施例相同。因此，在加压装置/压缩机100没有用加压氢气对压载容器70进行充装的操作状态下，流体搬运系统/泵102操作为经流体再循环系统72将流体循环进入压载容器70。驱动机构104优选尺寸限定为适合动力以及负荷需求，以便能够进行流体压力装置100和流体搬运系统102的同时操作。如本领域技术人员所知道的，实际的管道配置可以与图示不同，并且可以包括在流体搬运系统72中用来旁路压载容器70的旁路通道在内的旁路通道。
图4中显示了又一个备选的优选实施例，其中流体加压装置和流体搬运装置是同一个流体处理设备120。在这种配置中，在反应物输送系统122中所有附加元件都与图1相同，除了流体再循环系统72a包括连接到流体处理装置120而不是如前述的实施例连接到压载容器70的流体再循环通路74a。在压载容器70必须由加压氢气再充的操作状态下，流体处理设备120用来做流体加压(作为压缩机)。然而，当流体处理设备120仅需要在流体搬运系统/再循环回路72a中循环流体时，流体处理设备120用作泵或风箱来运输流体。这种组合的流体处理设备120的优点在于通过组合功能和消除两个独立装置而减小了反应物输送系统122的整体重量。
压载容器70的结合通过提供额外的氢气容量以便向其输送使燃料电池反应物输送系统(例如20、110或122)能够更好地响应典型的负载需求变化。因此，在优选的实施例中，压载容器70的停留时间/存储容量设计成适合高负载状态下的燃料电池堆栈22的消耗，这进一步取决于储氢材料的响应度以及从储氢材料中释放氢的速率。如前面讨论的，压载容器70给燃料输送系统(例如，20)提供了特别的优点，因为流体存储容器40不需要具有与燃料电池24和堆栈22相同的操作状态，而缓冲罐/压载容器70能够进行相容高压氢燃料，不会使燃料电池堆栈22受到随氢从储氢材料中释放而与流体存储容器40相关的压力以及流速的潜在波动的影响。
燃料电池系统内的瞬态操作状态对燃料电池技术的实施提出了挑战。这种挑战通常是由于例如，启动过程的低温，以及在低负载状态过程中的反应物的低化学计量(stoichiometry)，这导致显著较低的热量释放，减缓了燃料电池正常温度下的平衡。在目前的PEM燃料电池应用中，在1到5atm的典型绝对操作压力，稳态温度在大约70℃到90℃之间。从燃料电池堆栈22中释放的这种热量可以传递到液态存储容器40，并且用以促进从储氢材料中释放氢。但是，在通常低于1atm绝对压下下，启动温度通常低于60℃。对于许多燃料电池应用所希望的是燃料电池24能快速启动以便立即产生所需能量，以便在没有显著延迟的情况下推进车辆应用。然而，在没有从燃料电池堆栈产生的这种热量的情况下，用于释放氢的额外手段是有用的。
根据本发明的另一备选的优选实施例包括容纳在压载罐70中第二储氢材料(未图示)，以便主要在瞬态状态过程中使用。优选的第二储氢材料包括在对应于启动状态的低温下释放氢的低温存储材料。在本实施例中，压载罐70的一部分收容第二储氢材料。第二储氢材料优选可逆地存储氢，并且在对应于压载罐70的稳态操作状态的压力和温度下吸收氢。启动后，在压力传感器84指示的启动温度和压载容器压力状态下，压载容器70可以将存储的氢气输送到燃料电池堆栈22并且从收容于其内的第二储氢材料中释放氢气。第二储氢材料也能在能量需求增加的瞬态操作过程中向燃料电池堆栈22提供额外的氢。
许多不同的合金能够进行这种相对低温的氢化过程。低温充氢通常认为是在大约60℃以下，并且更具体在25℃以下。根据本发明，在优选的温度和压力状态下经历吸收氢以便形成氢化储氢材料的某些优选金属合金，比如金属氢化物，在本技术领域被称作“低温氢化物”。如上面讨论的，这种储氢材料也可以选择作为流体存储容器40中的储氢材料，但是流体存储容器40的储氢材料选择还集中在储氢材料的其他方面，以便除了材料解吸氢的温度外(此处主要为启动过程的压载容器70考虑)，流体存储容器40的储氢材料的选择包括评估整体氢容量，氢释放比率以及平衡压力行为。许多低温金属氢化物，例如镧五核镍(LaNi5)尤其适合作为压载容器70的储氢材料以便在启动过程中向燃料电池堆栈22输送氢。一般说来，认为低温氢化物每单位重量的氢容量低于其他的储氢材料，并且因此，非常适合在特定情况下提供少量的氢，比如启动或在瞬态操作状态过程中。通常更希望为主存储容器40选择具有更高氢容量和密度的材料。
本发明的另一个优点是用于启动状态过程中的氢冗余存储。在现有技术的氢存储燃料输送系统中，储氢材料必须加热到适当的温度以便促使氢释放。然而，利用本发明的某些优选的实施例，在关闭之后可选择性使用堆栈22在正常稳态操作过程中产生的热量以便促进氢从储氢材料额外释放流体存储容器40中。关闭之后释放的氢由流体加压装置60加压并且以适当的压力存储在压载罐70中以便进行氢输送。存储的氢随后可立即作为供给源，以便燃料电池堆栈22在冷状态下进行启动。因而，在关闭后燃料电池堆栈22和存储容器40排出的废热和氢可以有效地用于确保在启动过程中的氢供给源。
本发明进一步提供了向包含向燃料电池提供氢反应物的方法，其包括从储氢材料中释放氢气以及对氢气进行加压。加压氢气存储在压载容器并且从压载容器输送到燃料电池，其中加压氢气的压力大于或等于堆栈中燃料电池的操作压力。在某些优选的实施例中，在向储氢材料加热的控制执行释放步骤。在备选的优选实施例中，氢优选在堆栈中的电池的启动过程中从容纳在压载容器中的第二储氢材料中释放。在本发明的各种实施例中，该方法包括监测存储容器中剩余的氢燃料的数量，以便在用掉存储在储氢材料中所有氢之前警告操作员低燃料状态。这种监控可以通过多种方法实现，作为实例，包括对比存储容器中的温度和压力，并通过将数据关联到一定氢浓度范围内材料的已知温度和压力状态，而将其关联到储氢材料中剩余的氢数量。监测的其它方法可以通过测量通过流量表的氢气流，测量燃料电池的电流输出，测量和监测在短时间间隔内流体搬运装置的马达上的占空因数而计算消耗的氢数量来实现。
优选的是，在重新充装前，在燃料电池内基本消耗储氢材料中存在全部氢气。同样，本发明考虑到用氢供给源充装储氢材料，以便提供用于吸收到储氢材料内的氢气。在本发明的备选优选方法中，在氢的释放或充装，或两者的过程中，在流体存储容器和传热装置之间传递热量。此外，本发明继续考虑到在燃料电池操作停止后将氢存储在压载容器中一定时间(当输送氢时)。
本发明的描述实际上仅是示范性的，并且因此不脱离本发明主旨的变型倾向于落在本发明的范围内。这样的变型并不认为背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种氢输送系统，包括用于收容存储氢的储氢材料的流体存储容器；用来存储并将氢输送到至少一个燃料电池的流体压载容器；以及适于对从所述储存材料释放的氢进行加压以便输送到所述压载容器的加压装置，其中所述流体存储容器的压力小于或等于所述压载容器。
2.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述加压氢在基本恒定的压力下从所述压载容器以流体流输送到所述至少一个燃料电池。
3.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述燃料电池包括阳极组件，所述压载容器向所述阳极组件的入口供给氢，并且所述压载容器从所述阳极组件的出口接收流出物。
4.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于进一步包括用来向和从所述至少一个燃料电池传送流体的流体搬运系统，其中所述加压装置和所述流体搬运系统共享公共驱动机构。
5.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述流体加压装置驱动流体经过所述压载容器并到达所述至少一个燃料电池。
6.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述流体压载容器保持于基本恒定压力。
7.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述流体存储容器内的第一压力小于所述流体压载容器中的第二压力，并且所述第二压力大于或等于所述至少一个燃料电池在操作时的压力。
8.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料具有小于所述至少一个燃料电池的稳态操作压力的平衡压力。
9.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料通过经吸热反应释放所述氢并经放热反应重新吸收氢而可逆存储所述氢。
10.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述流体加压装置驱动流体通过多个所述燃料电池。
11.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料包括具有标称通式MyHy的成分，其中M表示除氢外的一个或多个阳离子核素，而y表示M的平均价态，其中所述平均价态保持化合物的电中性。
12.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料是具有从由AB、A2B、AB2以及AB5组成的群组中选择的脱氢标称通式的氢化物材料；其中A是第一阳离子核素，而B是第二阳离子核素。
13.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料包括含氮的化合物。
14.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料包括含镁的化合物
15.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述储氢材料包括从由镧五核镍(LaNi5)，镁镍(Mg2Ni)，氨基锂(LiNH)，锂硼二氮氢化物(Li3BN2H8)，氢化铝锂(LiAlH4)，镁金属(Mg)及其合金，以及上述材料混合物组成的群组中选择的组合物。
16.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于所述压载容器进一步包括在所述燃料电池的瞬态过程中释放氢的第二储氢材料。
17.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于进一步包括与所述流体存储容器热连通的传热装置。
18.根据权利要求1所述的氢输送系统，其特征在于进一步包括一个或多个从温度监测装置、压力监测装置以及流体流速监测装置中选择的监测装置。
19.一种氢输送系统，包括容纳释放氢气的储氢材料的流体存储容器；与所述流体存储容器流体连通以便加压所述释放的氢气的流体加压装置；适于从所述流体加压装置中接收并储存所述加压氢气的流体压载容器；以及使用所述氢气作为反应物的至少一个燃料电池，其中所述加压氢气在基本恒定的压力下以流体流从所述压载容器输送至所述至少一个燃料电池。
20.根据权利要求19所述的氢输送系统，其特征在于所述至少一个燃料电池包括阳极组件，所述压载容器将所述氢气供给到所述阳极组件的入口，并且所述压载容器从所述组件的出口接收流出物。
21.根据权利要求19所述的氢输送系统，其特征在于所述流体加压装置经所述压载容器向所述至少一个燃料电池驱动流体。
22.根据权利要求19所述的氢输送系统，其特征在于所述流体存储容器中的第一压力小于所述流体压载容器中的第二压力，其中所述第二压力基本恒定并且大于或等于所述至少一个燃料电池在操作时的压力。
23.一种向燃料电池提供氢反应物的方法，包括从储氢材料中释放氢气；加压所述氢气；将所述加压氢气存储在压载容器中；以及将所述加压氢气从所述压载容器输送到所述燃料电池，其中所述加压氢气的压力大于或等于所述燃料电池的操作压力。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于在加热所述储氢材料的同时执行所述释放步骤。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于在瞬态操作状态过程中，从容纳在所述压载容器内的第二储氢材料中释放附加氢气。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于进一步包括监测所述储氢材料中存在氢的数量。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于进一步包括在所述燃料电池中基本消耗来自所述储氢材料中的全部所述氢气。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于进一步包括用氢供给源充装所述储氢材料，以便向所述储氢材料提供氢气。
29.根据权利要求23所述的方法，其特征在于在所述释放步骤、所述充装步骤或两者的过程中，在所述流体存储容器和传热装置之间传递热量。
30.根据权利要求23所述的方法，其特征在于在所述燃料电池的操作停止后，所述存储步骤持续比所述输送步骤更长的持续时间。
31.根据权利要求23所述的方法，其特征在于针对氢存储容器中所述储氢材料的压力和温度确定所述储氢材料中存在的氢数量。
全文摘要
提供了一种使用氢作为反应物的燃料电池的氢输送系统。流体存储容器容纳可逆地释放并存储氢气的储氢材料。释放的氢气输出流体存储容器，由流体加压装置加压，并随后储存在压载容器中。氢气作为反应物以大于或等于燃料电池的操作压力的压力从压载容器输送到燃料电池。进一步公开了上述氢输送系统的变型，以及向燃料电池输送氢的方法。
文档编号C01B3/04GK101068746SQ200580033253
公开日2007年11月7日 申请日期2005年8月1日 优先权日2004年8月3日
发明者F·E·平克尔顿, G·P·梅斯纳, M·P·巴洛夫, M·S·迈尔 申请人:通用汽车公司