专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及燃料电池系统。
本发明的背景日本专利局2000年公布的Tokkai 2000-156236公开一种聚合物电解燃料电池(PEFC)系统，它具有一个水份交换热交换器，以便将水份由阴极排气转移至新鲜空气。
本发明的提要在此燃料电池系统中，压缩的空气进入放置在空气供给装置下游的水份交换的热交换器。另一方面，阴极排气的压力已在燃料电池组内由于压力损失而降低，它进入水份交换的热交换器内。因此，水份不足以由阴极排气转移至新鲜空气，因为新鲜空气和阴极排气之间的压力差很小。
本发明的目的是提供一种燃料电池系统，它可以有效地将水份由排出的空气转移至新鲜空气。
为了达到上述目的，本发明提供一种车辆用的燃料电池系统。此燃料电池系统具有一个燃料电池，它借助空气和富氢气体之间产生反应而产生电能，一个空气供给装置供给压缩空气至燃料电池，以及水份交换器吸收燃料电池排放的阴极排气中的水份，以及在压缩之前供给水份至空气。
这些细节以及本发明的其它特点和优点将在说明书的其余部分列出以及如附图所示。
附图的简要说明
图1是按照本发明的燃料电池系统的示意图。
图2是水份交换器的示意图，它具有一个水份渗透薄膜。
图3是水份交换器的示意图，它具有一个水保持薄膜。
图4是水份交换器的示意图，它具有一层松孔金属。
图5是水份交换器的示意图，它具有一个冷却层。
图6是当冷却水的温度升高时，说明燃料电池系统的行为的流程图。
图7是在没有水份交换器时燃料电池的水蒸汽的分压变化的说明图。
图8是按照本发明的燃料电池系统的温度变化的说明图。
图9是按照本发明的第二实施例的燃料电池系统的示意图。
图10是按照本发明的第三实施例的燃料电池系统的示意图。
图11是按照本发明的第四实施例的燃料电池系统的示意图。
图12是流程图，说明按照本发明借助控制器控制燃料电池系统内水份数量进行的程序的流程图。
最佳实施例的说明参见图1，车辆用的燃料电池系统具有空气过滤器6，空气供给装置7，冷却器10，燃料电池组2，水份交换器30，冷凝器60。
空气过滤器6清洁被空气供给装置7吸收的新鲜空气。水份交换器30放置在空气过滤器6和空气供给装置7之间。为了对被空气供给装置吸收的新鲜空气增湿，水份交换器30转移水份由阴极排气至新鲜空气。空气供给装置具有风扇或压缩机，它压缩新鲜空气至燃料电池组2的工作压力以及供给压缩的新鲜空气通过冷却器10至燃料电池组2的阴极电极。冷却器10冷却新鲜空气至燃料电池组2的工作温度。冷却器10内的冷凝水通过管道11收集到水箱81内。
燃料电池组2产生电能是借助使供给至阴极电极的新鲜空气中的氧与供给至阳极电极的富氢气体内的氢反应。
燃料电池组2产生大量的水蒸汽，作为氢和氧反应的产物。作为在阴极电极上产生的阴极排气的一部分，水蒸汽排放至冷凝器60。水箱81收集冷凝器60内冷却的阴极排气中的冷凝水。移动通过冷凝器60的阴极排气仍旧含有水份和将水份给予水份交换器30内的新鲜空气。在水份被清除后，干燥的阴极排气进入燃烧室1。
水份交换器30放置在空气供给装置7的吸气边。水份交换器30内的新鲜空气的压力大致等于空气供给装置7的风扇或压缩机的吸气压力。进入水份交换器30的空气的温度大致等于大气的温度，因此，在新鲜空气和阴极排气之间实现了适合于水份转移的压力差和温度差。
此燃料电池系统还具有重整器4，一氧化碳脱氧器16，冷凝器62，活门41，燃烧室1，蒸发器3，泵86和泵87。
作为电能产生的结果，在阳极上产生阳极排气。燃烧室1燃烧阳极排气和阴极排气的混合物，以及供给此燃烧气体至蒸发器3。
泵86传送燃料由燃料箱80至燃烧室3。泵87传送水由水箱81至燃烧室3。
蒸发器3使用燃烧气体的热量蒸发燃料和水。在加热燃料和水之后，燃烧气体排放入大气。
重整器4借助在蒸发的燃料和蒸汽之间由于催化而产生的反应产生重整的气体。一氧化碳脱氧器16清除重整的气体中的一氧化碳，以产生富氢气体和供给此富氢气体至燃料电池组2。
在燃料电池组2内，富氢气体与新鲜空气反应以产生电能。冷凝器62冷却由燃料电池组2排放的阳极排气，以清除阳极排气中的水份。阳极排气通过活门41供给至燃烧室1。
水箱81存储由冷凝器60，冷凝器62，以及冷却器10收集的水。水箱81还存储由水份交换器30收集的剩余水。
为了控制在水份交换器30内转移水份的数量，燃料电池系统具有控制器85，它具有一个微计算机，它的组件为中央处理器(CPU)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，以及输入/输出接口(I/Ointerface)。
为了控制水份交换器30内的转移水份的数量，一个探测水箱81的水位的水位传感器82连接至控制器85。控制器85还控制活门40，以调节阴极排气的压力。水位传感器82探测水箱81的水位和将它传送到控制器85。控制器85观察水位和控制水份交换器30内的转移水份的数量。为了实现上述控制，控制器85借助活门40的开启或关闭调节阴极排气的压力。
参见图2至图5，说明水份交换器30的结构。图2所示的水份交换器30具有水蒸汽可渗透薄膜31A，它分离新鲜空气和阴极排气。阴极排气中的水蒸汽移动至新鲜空气，因为水蒸汽可渗透薄膜仅允许水蒸汽通过它移动。如前所述，按照本发明在燃料电池系统中，阴极排气和水份交换器30内的新鲜空气之间的压力差大。再者，阴极排气的水蒸汽的分压力大于新鲜空气的，因为阴极排气具有比新鲜空气高得多的水份。因此，实现了由阴极排气至新鲜空气水蒸汽的有效的转移。
图3所示的水份交换器30具有水保持薄膜31B，它分离新鲜空气和阴极排气。由于新鲜空气冷却水份交换器30内的阴极排气，阴极排气内的水份冷凝在水保持薄膜31B上阴极排气边内。水保持薄膜31B吸收冷凝水和保持一定数量的水份。相反，在新鲜空气边，在水保持薄膜31B内的保持的水份蒸发进入新鲜空气，其水蒸汽的分压力低。在按照本发明的燃料电池系统中，水保持薄膜上水份的冷凝有效地进行，由于在阴极排气和新鲜空气之间有大的温度差。因此，水份可以有效地由阴极排气转移至新鲜空气。
图4所示的水份交换器30具有松孔金属板31C，它分离新鲜空气和阴极排气。阴极排气借助使用阴极排气和新鲜空气之间大的温度差冷却，以及阴极排气内的水份冷凝在松孔金属板上阴极排气边内。由于阴极排气的压力比新鲜空气的高得多，松孔金属板31C上在阴极排气边内的冷凝水通过松孔金属板31C的孔推入新鲜空气边。水被蒸发由松孔金属板31C的表面新鲜空气边进入新鲜空气。因此，水份可以有效地由阴极排气转移至新鲜空气。
图5所示的交换器30具有冷却层31D，它分离新鲜空气和阴极排气。冷却层31D具有一对膜片31E，它仅通过水份和分离出至阴极排气和新鲜空气的冷却水通道31F，阴极排气中的冷凝水渗透膜片31E和达到冷却水通道31F。与此相反，流动通过冷却水通道31F的部分水渗透膜片31E和蒸发进入新鲜空气。冷却与通道31F连接至水箱81。水箱81收集那些没有通过冷却水通道31F蒸发的剩余的水。为了提高冷却阴极排气的能力，更多的冷却水可用于冷却阴极排气。
以下，讨论燃料电池系统的水平衡。
一个燃料电池系统，它不能回收阴极和/或阳极排气中的水份以及不能接收来自系统外部的补充水，具有下列关系燃料电池系统产生的水的数量＞燃料电池系统损失的水的数量在上述表达式中，燃料电池系统产生的水的数量指吸收的新鲜空气中所含的水的数量A，以及在燃料电池组2内反应产生的水数量B。燃料电池系统损失的水的数量指使用于重整的水的总量C，以燃烧气体形式排放入大气中的阴极排气中的水的数量D，以及以燃烧气体形式排放入大气中的阳极排气中的水的数量E。
使用上述术语A-E的下列表达式可以一般地表达水平衡A+B＞C+D+E或者代替地，A+B-(C+D+E)＞0然而，如果富氢气体和新鲜空气增湿，用于增湿的水最终以燃烧气体的形式排放入大气中。因此，水平衡可以按下列关系式A+B-(C+D+E)＜0如果此条件继续，燃料电池系统由于燃料电池系统内水的缺乏而不能保持工作。为了避免水的缺乏，需要至少一个冷凝器60或62，以分别收集阳极排气或阴极排气内的水。如果设置此种冷凝器，排放入大气中的水减少，以及燃料电池系统能够保持上述关系。
如果燃料电池系统使用于车辆内，例如，冷凝器60和62的尺寸被车辆可使用的空间限制。例如，散热器在车辆上用于冷却冷却水，散热器受限制的尺寸以及通过散热器的受限制的冷却空气通道限制了散热器的冷却能力。由于此原因，根据工作条件，冷凝器60或62不能冷却阴极排气或阳极排气至要求的温度，以回收保持工作的足够的水。
在燃料电池系统中，水份交换器30协助冷凝器60或62回收阴极排气中的水份，以便对新鲜空气增湿。因此，系统可保留足够的水以维持工作，与冷凝器60或62内回收的水的数量无关。
以下，比较具有水份交换器30的燃料电池系统的水平衡，以及没有水份交换器30的燃料电池系统的水平衡。
假设没有水份交换器30的燃料电池系统在冷凝器60的出口处必须冷却阴极排气至52℃或更低，用于燃料系统工作，借助使用水份交换器30，可以可使新鲜空气温度为50℃和相对湿度为50％，供给上述燃料电池系统，此燃料电池系统可以借助冷却冷凝器60内的阴极排气至62℃而维持工作。换句话说，冷凝器60内的冷却水可以借助水份交换器30调节高出10℃。如果冷却水的冷却是借助具有热失散率0.3kW/K·m2的散热器，单位面积内的热失散率增加3kW/m2，因为冷却水和外界空气之间的温度差增加了10℃。因此，散热器的效率提高，以及散热器的尺寸可以减小。
参见图6，按照本发明的燃料电池系统如何对应于冷却水温度的升高。冷凝器60的冷却水在步骤S1内由于某些原因不能够充分地冷却，以及冷却水的温度在步骤S2内提高。在步骤S3，冷凝器60的热交换率由于冷却水的温度提高而降低。在步骤S4，来自冷凝器60的阴极排气的输出温度提高。在步骤S5，阴极排气中水份的冷凝由于冷凝器60的热交换率的降低而降低。因此，冷凝器60的出口处的阴极排气中的水份数量提高。在步骤S6，进入水份交换器30的阴极排气中的水份的数量提高。在步骤S7，随着阴极排气中水份的数量的提高，水份交换器30内的水份转移率提高。作为其结果，水份交换器30协助冷凝器60，它不能充分地回收水份以维持燃料电池系统的工作。
参见图7，讨论放置水份交换器30在空气供给装置7的吸气边的优点。
图7示出在设有水份交换器30的燃料电池系统内空气压力和水蒸汽的分压力的变化。在空气供给装置7的吸气边，新鲜空气的压力降低至稍低于大气压力。它大致等于压缩空气供给装置7的风扇或压缩机的吸气压力。空气供给装置7的吸气边的新鲜空气的水蒸汽的分压力实质上等于大气压力。在空气供给装置7的出口处的空气的压力提高，因为空气供给装置7压缩新鲜空气至燃料电池组的工作压力。随着空气压力的提高，水蒸汽的分压力提高。
在燃料电池组2的出口处阴极排气的压力降低至空气供应装置7的出口压力以下，作为燃料电池组2压力损失的结果。相反，阴极排气内水蒸汽的分压力比供给至燃料电池组2的新鲜空气的大得多，这是由于燃料电池组2内产生的水份排放进入阴极排气。
在冷凝器60的出口处，阴极排气的压力由于冷凝器60的压力损失而降低。在冷凝器60内，水蒸汽的分压力变成等于饱和的水蒸汽压力。冷凝器60收集冷凝的饱和水。因此，在冷凝器60出口处，水蒸汽的分压力等于饱和的水蒸汽压力，它相当于阴极排气的温度。
在按照本发明具有水份交换器30的燃料电池系统中，水份交换器30放置在空气供给装置7的吸气边，以及冷凝器60的排气边。在此燃料电池系统中，进入水份交换器30的水蒸汽的分压力和新鲜空气的压力与空气供给装置7的吸气开口处新鲜空气的相等，如图7所示。进入水份交换器30的水蒸汽的分压力和阴极排气的压力与冷凝器60的排气边的阴极排气的相等，如图7所示。空气压力之间的差别以及水蒸汽分压力之间的差别允许水份有效的转移，由阴极排气至新鲜空气。例如，在带有水份交换器30的燃料电池系统中，水份交换器30具有松孔金属31C，冷凝在松孔金属31C上的水可以有效地转移至新鲜空气内，因为阴极排气的压力比新鲜空气的压力高。
参见图8，在按照本发明的燃料电池系统中，讨论进入水份交换器30的阴极排气和新鲜空气温度的变化。由空气供给装置7压缩的新鲜空气的出口温度根据压缩率变化。冷却器10冷却压缩的新鲜空气至预定的温度，以便燃料电池组2的有效的工作。
在图8内来自冷凝器60的阴极排气的出口温度Tc与进入水份交换器30的阴极排气的温度相等。再者，图8内的大气温度Ta与进入水份交换器30的新鲜空气的温度相等。因此Tc-Ta代表水份交换器30内阴极排气和新鲜空气之间的温度差。
在Tokkai 2000-156236公开的普通的燃料电池系统中，水份交换器放置在空气供给装置的排气边。因此，具有高温和高压的新鲜空气进入水份交换器的新鲜空气边。由于大气温度和压力低于被空气供给装置压缩的新鲜空气的，有利的是放置水份交换器在空气供给装置7的吸气边，以便促进阴极排气冷却和水份交换。
以下，参见图9，讨论本发明的第二实施例。
按照本实施例，冷凝器60放置在水份交换器30的排气边。系统的其它器件的排列与第一实施例中相同。
虽然在第一实施例中阴极排气被冷凝器60冷却而进入水份交换器30，在本实施例中被燃料电池组2排放的高温阴极排气进入水份交换器30。因此，新鲜空气被加热至较高温度。如果新鲜空气的压力保持恒定，饱和水蒸汽的压力随着新鲜空气温度的提高而提高。例如，在温度60℃时的饱和水蒸汽压力为约0.199bar，而在温度80℃时的饱和水蒸汽压力提高至约0.474bar。作为其结果，新鲜空气能包含的水蒸汽增加，以及较多的水份可以供给至新鲜空气。
再者，水份交换器30可以在阴极排气进入冷凝器60之前，借助冷却阴极排气而减少冷凝器60的冷却载荷。因此，冷却冷却水用的散热器的尺寸可以减少。
参见图10，讨论本发明的第三实施例。
按照本实施例，借助使用水份交换器30而省去冷凝器60，水份交换器30具有冷却层31D，示于图5。泵95泵送水份交换器30用的冷却水由水箱81至散热器71。在冷却水被散热器71冷却后，冷却水冷却阴极排气。在此之后，冷却水返回至水箱81。系统的其它器件的排列与第一实施例中相同。
省去冷凝器60实现了小的和重量轻的燃料电池系统。再者，如果进入新鲜空气的蒸发水份的数量和由阴极排气冷凝的水份数量不平衡，水箱81供给补充水或收集剩余水。因此，水份交换器30可以清除阴极排气中的水份，与进入新鲜空气的蒸发水的数量无关。
参见图11，讨论本发明的第四实施例。按照本实施例，燃料电池系统具有一个空气通道31，它可使一部分新鲜空气旁路通过水份交换器30。通道31具有活门32，它控制旁路通过水份交换器30的新鲜空气的流动率。系统的其它器件的排列与第一实施例中相同。
借助控制旁路通过水份交换器30的新鲜空气的流动率，控制器85增加或减少移动通过水份交换器30的新鲜空气的流量。如果进入水份交换器30的新鲜空气的流量增加，由阴极排气至新鲜空气转移的水份数量也增加。如果进入水份交换器30的新鲜空气的流量减少，转移的水份数量也减少。
为了实现上述控制，控制器85借助执行图12所示的程序确定旁路通过的新鲜空气的流动率。
参见图12，在步骤S11，控制器85读出来自水位传感器82的水位，它探测水箱81内的水位。
在步骤S12，控制器85借助对比水位的现在值和水位的以往值，计算水箱81内水位的变化率。
在步骤S13，控制器85在一个时期后根据水位的变化率预定水位。
在步骤S14，控制器85确定预定的水位是否在工作的水位范围内。
如果预定的水位是在工作的水位范围内，控制器85确定水供给和水消耗在燃料电池系统内是平衡的，以及程序进入步骤S15。
在步骤S15，控制器85保持现在的旁路流量。相反，如果预定的水位超出工作的范围，程序进入步骤S16。
在步骤S16，控制器85确定，预定的水位高于或低于工作的范围。如果预定的水位低于工作的范围，控制器85确定系统将面临水缺乏，程序进入步骤S17。如果预定的水位高于工作的范围，控制器85确定系统将面临水溢流，以及程序进入S18。
在步骤S17，控制器85减少活门32的开启角，以减少旁路流量和增加进入水份交换器30的新鲜空气的流量。这个过程增加了由阴极排气至水份交换器30内新鲜空气的转移水的数量，以及防止了系统的水缺乏。
在步骤S18，控制器85增加了活门32的开启角，以增加旁路流量和减少进入水份交换器30的新鲜空气的流量。这个过程减少了由阴极排气至水份交换器30内新鲜空气的转移水的数量，以增加由系统排放的水份，以及防止了水的溢流。再者，增加旁路流量可以减少空气供给装置7的功率消耗，因为水份交换器30的压力损失可以降低。
本发明可以应用于一种燃料电池系统，它直接供给氢气至燃料电池组。
本发明可以应用于一种燃料电池系统，它没有冷凝器60和/或冷凝器62。
日本专利申请书P2001-080122(filed on March，21，2001)的全部内容列在这里供参考。
虽然本发明的上述说明参考了本发明的一些实施例，本发明不应局限于上述的实施例。对于技术熟练人员，参照上述教学内容，可做出上述实施例的各种改进和变动。本发明的范围参照下列权利要求限定。
工业应用如上所述，本发明可以应用于车辆用的紧凑的和重量轻的燃料电池系统。
权利要求
1.一种燃料电池系统，它具有燃料电池(2)，它借助空气和富氢气体之间的反应和排放阴极排气而产生电能；空气供给装置(7)，它吸收空气和供给压缩的空气至燃料电池；以及水份交换器(30)，它吸收阴极排气中的水份和供给此水份至将被空气供给装置(7)吸收的空气。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于，水份交换器具有水蒸汽可渗透薄膜(31A)，它分离空气和阴极排气，以及允许水蒸汽渗透，由阴极排气至空气。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于，水份交换器具有水保持薄膜(31B)，它分离空气和阴极排气，吸收阴极排气内的水份，以及蒸发吸收的水份至空气。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于，水份交换器具有松孔金属(31C)，它分离空气和阴极排气。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，其特征在于，水份交换器具有冷却水通道(31F)，它借助膜片(31E)分离空气和阴极排气。
6.根据权利要求5的燃料电池系统，它还具有水箱(81)，它与冷却水通道连接。
7.根据权利要求1的燃料电池系统，它还具有冷却器(10)，它冷却压缩空气，以及水箱(81)，它收集冷却器内冷凝的水。
8.根据权利要求1的燃料电池系统，它还具有冷凝器(60)，它冷凝和分离出被燃料电池排放出的阴极排气中的水份。
9.根据权利要求1的燃料电池系统，它还具有冷凝器(60)，它进一步冷凝和分离出阴极排气中的水份，此阴极排气中的部分水份已在水份交换器内被清除。
10.根据权利要求6的燃料电池系统，燃料电池系统还具有旁路通道(31)，它借助旁路通过水份交换器而供给空气至燃料电池；活门(32)，它增加或减少通过旁路通道的空气流动率；传感器(82)，它探测水箱内的水位；以及可编程的控制器(85)，它编程以便(S12)计算水位的变化率；(S13)根据变化率计算预定的水位；以及(S17，S18)控制活门，以增加或减少根据预定的水位的旁路流动率。
全文摘要
按照本发明的燃料电池系统具有水份交换器(30)，位于空气供给装置(7)的空气供给边。这样导致新鲜空气和水份交换器(30)内阴极排气的压力差和温度差，以及促进了水份的转移。由于水份交换器(30)有效地转移水份，有可能减少冷却水用的散热器和冷凝器(60)的尺寸。因此就有可能减小燃料电池系统的重量和尺寸。
文档编号H01M8/06GK1650456SQ0280004
公开日2005年8月3日 申请日期2002年3月15日 优先权日2001年3月21日
发明者饭尾雅俊 申请人:日立自动车株式会社