专利名称：燃料电池冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统的闭合环路冷却，具体地，涉及与从燃料电池组喷出的水有关的闭合环路冷却回路内的水的添加和去除。
背景技术：
水是燃料电池系统的操作所必需的，例如，在此说明的系统的形式为包括基于环绕质子交换膜(PEM)的燃料电池组。从阳极流动路径传导通过PEM的质子(氢离子)与阴极流动路径中存在的氧的反应生成水。需要从燃料电池组中除去过量的水以避免溢流和随后造成性能降低。然而，至少在阴极流动路径中需要存在一定量的水以保持PEM的水合，以便获得燃料电池的最佳性能。通过慎重的注入和去除操纵该水还可以提供用于从燃料电池组去除过量热量的有用机构。为了使性能最佳化，在这种燃料电池系统中通过典型地将水注入到电池组的阴极流动路径中可以慎重地使用水。这种注水式燃料电池系统与采用单独的冷却通道的其它类型燃料电池系统相比具有减小尺寸和复杂性的潜在优点。水可以通过水分配歧管直接注入到阴极流动路径中，如例如GBM09763中所记载。对于注水系统，重要的是供给回到阴极流动路径中的任何水都是高纯度的，以便避免污染PEM和随后出现的电池组性能的下降。对于用于冷却和电池水合的水直接被添加到燃料电池膜的注水燃料电池系统，在正常操作期间没有向系统添加额外的水。为了使这成为可能，从燃料电池的排出流回收液态水。燃料电池的阴极排出流主要为饱和空气和液态水的组合，而阳极的排出流主要为饱和氢气和液态水的组合。由燃料电池产生的水的大部分出现在阴极上，在阳极上产生小比例的水。如果将水注入到燃料电池的阴极上，则可回收的水的大部分因此也在阴极上。由于排出物的水分主要为水蒸汽形式，因此阴极排出流的液态水分通常不足以满足燃料电池组的注水要求。因此，排出流的温度优选地(例如，使用热交换器)被降低，以便降低露点并使蒸汽的至少一部分凝结成液态水。还可以使用一种将液态水从排出流中分离的方法(例如，气旋式分离器)，以便确保排出流中获得的液态水的大部分被捕获。假定阳极排出流具有相对较低的流量，因为必需增加的系统复杂性超过由于例如通过使用额外的热交换器降低露点而获得额外的水的优点，通常仅回收液态水分(例如，通过进油管路 ^^%^ ! (inline catch pot))。引入到注水燃料电池组中的水的导电率必须保持在避免腐蚀影响的足够低的水平下。离开燃料电池组的液态水可以包含氟化物和/或腐蚀产物(例如，铁等)，所述氟化物和/或腐蚀产物由于增加来自总溶解固体的离子而增加水的导电率。另外，水的导电率因为由于部件之间的电势差发生的任何电化腐蚀而可能会增加。这可以通过仔细选择材料和整个系统设计被最小化。注入到燃料电池组中的水的导电率的增加可能会污染电催化剂和隔膜，从而导致电阻增加和性能降低。因此，应该控制被引入到在闭合回路结构中运转的注水燃料电池组的水的导电率。一个解决方案是在燃料电池系统中包括离子交换柱以‘精制(polish) ’水。然而， 这由于系统封装限制或维护频率要求可能不切实际，这是因为在所述系统上需要对其它零件(例如，过滤器)以相似的间隔进行更换而典型地需要相对较大的单元。本发明的一个目的是解决一个或多个上述问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和用于将冷却水直接注入电池组中的闭合环路水冷却回路，所述方法包括以下步骤在一定时间段上测量燃料电池系统的操作参数；在燃料电池组的操作期间在所述时间段上，从通过燃料电池组产生的水的总量中将一定量的液态水添加到闭合环路冷却回路；和从闭合环路冷却回路中除去所述量的液态水，其中，为燃料电池组的操作期间在所述时间段上产生的水的总量的一定比例的液态水的所述量作为操作参数的函数由燃料电池系统自动确定。通过从燃料电池组中除去为操作期间产生的水的总量的一定比例的所述量的水， 所述量作为电池组的操作参数的函数，燃料电池系统中的冷却水根据燃料电池如何操作可以保持在期望的纯度水平。操作参数可选地为在所述时间段上从燃料电池组中获得的电流。从闭合环路冷却回路中除去的水的总量的比例可以与所述时间段上获得的电流成比例。除去和添加的水量依赖于燃料电池操作的繁重程度，即，供应多少电流，所述电流与使用的燃料量成直接关系。操作参数可以可选地为导电率、pH或闭合环路冷却回路内的水中的总溶解固体量。从闭合环路冷却回路中除去的水的总量的所述比例可以为预定设定点与操作参数之间的差值的函数。这些参数可以用作额外的检查以确保冷却水的质量保持在期望水平内。可以通过控制与燃料电池组的阴极排出管线流体连通的热交换器的出口温度，例如通过将从闭合环路冷却回路中除去的水引导到热交换器的外表面上来确定水量。通过选择性地引导从电池组排出到热交换器上的一定比例的水(所述水可以为蒸汽形式)，仅在需要更多的冷却剂时需要额外的冷却以将水蒸汽转换成为液态水，而当这不需要连同许多热量一起的过量水时，所述水可以作为蒸汽排出。可以通过控制与闭合环路冷却回路流体连通的泵操作来确定从闭合环路冷却回路中除去的水量。泵可以以与要从冷却回路中除去的水量成比例的占空比间歇地操作。通过使泵仅在需要时操作可以降低燃料电池上的寄生负载。可以根据以下关系计算要除去的水量
权利要求
1.一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组和用于直接将冷却水注入到所述电池组中的闭合环路水冷却回路，所述方法包括以下步骤在一定时间段上测量所述燃料电池系统的操作参数；在所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上，从由所述燃料电池组生成的水的总量将一定量的液态水添加到所述闭合环路冷却回路；和从所述闭合环路冷却回路除去所述一定量的液态水，其中，作为所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上生成的水的总量的一定比例的所述一定量的液态水通过所述燃料电池系统被自动确定为所述操作参数的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为在所述时间段上从所述燃料电池组中获得的电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，从所述闭合环路冷却回路除去的水的总量的所述比例与在所述时间段上获得的电流成比例。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的导电率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的PH值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水中的总溶解固体量。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其中，从所述闭合环路冷却回路除去的水的总量的所述比例为预定设定值与所述操作参数之间的差值的函数。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，水量通过控制与所述燃料电池组的阴极排出管线流体连通的热交换器的出口温度来确定。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述热交换器的出口温度通过将从所述闭合环路冷却回路除去的水引导到所述热交换器的外表面上来控制。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述闭合环路冷却回路除去的水量通过控制与所述闭合环路冷却回路流体连通的泵的操作来确定。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述泵以与将从所述冷却回路中除去的水量成比例的占空比间歇地操作。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，根据以下关系计算水量 其中，W^为将从所述冷却回路除去的水量，I为从具有η个电池的所述燃料电池组中获得的电流，F为法拉第常数，β为预定常数。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，β大约为0.1。
14.一种燃料电池系统，包括燃料电池组、用于将冷却水直接注入到所述燃料电池组中的闭合环路水冷却回路以及计算机控制器，所述计算机控制器被构造成自动地进行以下操作在一定时间段上测量所述燃料电池系统的操作参数；将在所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上生成的水的总量中的一定量的液态水添加到所述闭合环路冷却回路；和从所述闭合环路冷却回路除去所述一定量的液态水，其中，所述控制器被构造成除去作为所述燃料电池组的操作期间在所述时间段上生成的水的总量的一定比例的所述一定量的液态水，所述一定量的液态水为所述操作参数的函数。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为在所述时间段上从所述燃料电池组中获得的电流。
16.根据权利要求15所述的燃料电池系统，其中，生成的水的总量的所述比例与在所述时间段上获得的电流成比例。
17.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的导电率。
18.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水的PH值。
19.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述操作参数为所述闭合环路冷却回路内的水中的总溶解固体量。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的燃料电池系统，其中，喷出的水的总量的比例为预定设定值与所述操作参数之间的差值的函数。
21.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成自动控制与所述燃料电池组的阴极排出管线流体连通的热交换器的出口温度。
22.根据权利要求21所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成将来自所述闭合环路冷却回路的水喷射到所述热交换器上。
23.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成通过控制与所述闭合环路冷却回路流体连通的泵的操作来控制从所述闭合环路冷却回路除去的水量。
24.根据权利要求23所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成使所述泵以与将从所述冷却回路中除去的水量成比例的占空比间歇地操作。
25.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被构造成根据以下关系自动计算水量
26.根据权利要求25所述的燃料电池系统，其中，β大约为0.1。
27.一种参照附图
操作基本上如在此所述的燃料电池系统的方法。
28.一种参照附图基本上如在此所述的燃料电池系统。
全文摘要
本发明公开了一种操作燃料电池系统(100)的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池组(110)和用于将冷却水直接注入电池组(110)的闭合环路水冷却回路，所述方法包括以下步骤在一定时间段上测量燃料电池系统(100)的操作参数；将在燃料电池组(110)的操作期间在所述时间段上产生的水的总量中的一定量的水添加到闭合环路冷却回路；和从闭合环路冷却回路中除去所述量的水，在燃料电池组(110)的操作期间在所述时间段上产生的水的所述量作为操作参数的函数由燃料电池系统(100)自动确定。
文档编号H01M8/04GK102203999SQ200980143530
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月20日 优先权日2008年10月30日
发明者彼得·戴维·胡德 申请人:智慧能量有限公司