专利名称：燃料电池操作中的水管理系统和方法
技术领域：
根据其电极来分类的各种类型的燃料电池具有独特的设计要求。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，一个要求是提供有效的水管理系统。PEM燃料电池包括限制在各自有孔的阴、阳电极之间的膜。这些电极包括相对薄的催化剂层和带孔支撑板的组合，其中，催化剂层既可以淀积在质子交换膜的各主要表面上，又可以淀积在带孔的支撑板上。通常，燃料电池通过把气体燃料和氧化剂分别提供到阳极和阴极来起作用。用于燃料和氧化剂气体的供给装置尽可能一致地把同样的东西分配在各自电极所催化的表面上。在PEM燃料电池中，当燃料电池工作时，在电极上出现的电化学反应导致了在阳极上形成电子和氢离子。电子流向外部负载电路，而氢离子通过膜流向阴极，在那里，它们与氧反应形成水，并且释放热能。燃料电池也具有冷却剂通道，用于引导电池堆中电极附近的水，以防止燃料电池过热。
最好，由电池中的蒸发以及经处理口排出而损失的水通过电池堆中的化学反应所产生的副产品水来补充，这些水少于燃料处理所需要的水。水的平衡使得水可以在一个闭环系统中循环，因此避免了在燃料电池系统中补充水的需求与费用。当使例如汽车发电时，由于汽车不经常与外界水源接触而补充水，因此，维持水平衡或自给自足是很重要的。
作为一个例子，汽油驱动燃料电池发电机是一个必须在水方面自给自足来生存的集成系统。自给自足意味着作为在电池中化学反应结果所形成的足够的水必须通过系统来回收，以提供在燃料处理系统中将汽油转变为氢所需要的水。电化学反应的结果是在电池中生成水，并且通过众所周知的方法将液态和气态的水从电池中除去。在排出气流中的水蒸汽通过废气出口经冷凝器使排出空气冷却，形成冷凝物，由此使排出气流中的水蒸汽得到部分回收。冷凝水被回收、收集并且按要求供给燃料处理系统。在现有的环境温度条件，具有单通道气流的PEM燃料电池不能回收足够的水来自给自足。
对于质子交换膜(PEM)燃料电池，自给自足水管理系统的缺点是，当在高的环境温度下工作时，使用相对干燥的环境空气作为一个反应物会使水的损失比反应物氢、氧之间反应所产生的水更大。而且，在高温工作环境下，水的过分损失会变干，并且会使电池堆的膜永久性地损坏。
根据上面所述，本发明的第一个目的是提供一种PEM燃料电池系统，它克服了以前PEM燃料电池系统在高温工作环境下在维持水平衡方面的缺点和不足。当结合附图来阅读下面的描叙时，本发明的上述和其它目的以及优点将会变得更加清楚。
本发明的公开在本发明的一个方面，PEM燃料电池系统包括PEM燃料电池，该PEM燃料电池具有冷却剂输入口和冷却剂输出口、燃料输入口和燃料输出口、以及空气输入口和空气输出口。大约在环境温度下，空气输入口与新鲜空气源相连接。可调的气流分离器，例如气流阀，具有一个输入口、第一和第二个输出口、以及一个控制口，用于调节从气流分离器的第一个输出口输出的废气量与从气流分离器的第二个输出口输出的废气量的比(循环空气送排比)。气流分离器的输入口连接到PEM燃料电池的空气输出口。分离器的第一个输出口与PEM燃料电池的空气输入口相通。设置环境温度测量装置，用于产生温度信号。电功率测量装置连接到燃料电池的电极，用于产生表示由燃料电池所产生的额定功率的百分数的功率信号。处理器具有输入端和输出端，输入端与温度测量装置、电功率测量装置相连，输出端与气流分离器的控制输入端相连。处理器控制气流分离器，以便把燃料电池系统的循环空气送排比调节到预定值，这个预定值是燃料电池系统电输出功率的函数，以便在所检测到的环境工作温度下维持燃料电池系统的总体水平衡。该系统也可以包括冷却剂水位传感器，如果存储在系统中的水量降到预定值或预定水位以下，该传感器则稍微增加循环空气的送排比(recycle-to-air ventratio)。
在本发明的另一个方面，操作PEM燃料电池系统的方法包括提供一种PEM燃料电池。引导燃料或重整油(reformate)经燃料输入口和燃料输出口而通过PEM燃料电池。引导冷却剂经冷却剂输入口和冷却剂输出口而通过PEM燃料电池。引导其温度大约为环境温度的新鲜空气经空气输入口和空气输出口而通过PEM燃料电池。测量燃料电池的环境工作温度和燃料电池的电输出功率。调整气流分离器，以便将预定的一部分量的废气转向而返回到燃料电池的空气输入口，从而将燃料电池的电输出功率调整到额定电输出功率的预定百分数，该百分数将在所检测到的环境工作温度下维持燃料电池系统中的总体水平衡。
附图的简要描述
图1是具有过程空气循环的PEM燃料电池系统的示意图。
图2是表示燃料电池系统中水平衡的曲线图。
图3是曲线图，表示阴极循环空气送排比对外部空气利用率的影响。
图4是曲线图，表示在具有或没有阴极空气循环的情况下为了维持水平衡，冷凝器/环境温度和PEM燃料电池系统额定电功率之间的关系。
图5是曲线图，表示在具有或没有阴极空气循环情况下补充水和PEM燃料电池系统额定电功率之间的关系。
实现本发明的最佳模式现在看图1,PEM燃料电池系统一般用参考数字10表示。燃料电池系统中具有PEM燃料电池12,PEM燃料电池12包括至少一个阳极14、阴极16、在阳极和阴极之间所设置的质子交换膜19、以及冷却器部分(cooler section)18。燃料电池包括燃料输入口20和燃料输出口22，它们跨越电池堆的阳极14，协作提供预热的富氢(hydrogen rich)燃料或重整物(reformate)，例如通过重新形成汽油、乙醇、甲烷或甲醇所获得的燃料。燃料输入口20同燃料供应管线24相通，用于接受来自传统燃料处理系统25的富氢燃料，燃料处理系统25可以是例如处理重整油的重整装置。燃料输出口22同燃料出口管线26相连，用于把排除的燃料送回到例如燃烧器(未示出)。PEM燃料电池12进一步包括过程空气(process)输入口28和过程空气排出口30，用于使环境空气流过电池堆的阴极。过程空气入口28同过程空气供应管线32相通，用于接受由例如风机33提供给燃料电池的过程空气。过程空气排出口30同废气管线34相通，用于将过程(process)废气从燃料电池12运送走。燃料电池更进一步包括冷却剂输入口36和冷却剂输出口38，用于在电池堆的周围提供水或其它冷却剂，以防止电池堆在燃料和过程空气之间发生电化学反应而发电时出现过热。冷却剂输入口36同冷却剂供应管线40相通，用于接受来自于水源37，例如水箱的冷却剂。冷却剂输入口38同冷却剂输出管线42相通，以便通过散热器把冷却剂从将被冷却的燃料电池中送走。
燃料电池系统10进一步包括气流分离器或气流分离装置，用于使过程废气量的预定百分数或小部分转向而返回到空气入口28。转向装置可以通过例如可调节气流阀44来实现。气流阀具有输入口48，它与PEM燃料电池12的空气排出口30相通，用于接受废气；第一个输出口50，用于使沿循环管线52中的废气转向；以及第二个输出口54，用于把剩余的过程废气释放或排出到水回收冷凝器55中。回收冷凝器55将在那里所形成的冷凝物(condensate)提供给水源37。交汇点46接受由例如风机33所提供的新鲜环境空气，以及进一步接受来自于循环管线52、经风机59、被转向的过程废气。然后新鲜过程空气和排出或加湿的过程空气的混合物从交汇点46输入到PEM燃料电池12的过程空气输入口28。交汇点46可以与过程空气输入口28分开，如图1所示，或者，也可以设置在过程空气输入口。
燃料电池系统进一步包括电功率测量装置70，该装置具有第一和第二输入端72、74，第一和第二输入端72、74根据燃料电池12的阳极和阴极分别产生的沿管线72、74的电信号输入而产生电功率信号。温度测量装置76检测燃料电池系统的环境操作温度。冷却剂位置传感器39检测水源37中的水位。处理器，例如传统的微处理器78具有第一、第二以及第三个输入端80、82和78，分别接受电功率测量、环境温度测量、以及冷却剂位置传感器测量。微处理器78具有与气流阀44的控制输入端相连的输出端84，用于被转向到PEM燃料电池12的空气输入口的排出过程空气量，以维持水的平衡，所调节的排出过程空气量为环境温度和燃料电池12的额定电功率百分数的函数。
冷却剂位置传感器39，例如低位传感器，可以用来当作另外一个独立于环境温度和燃料电池系统的电输出功率之外的用来维持水平衡的安全措施。例如，当存储在水箱37中的冷却剂量下降到低于预定的位置或数值时，冷却剂位置传感器39给处理器78发送一个信号，通知该处理器稍微增加循环空气的排出比例。
为了维持水平衡或自给自足，例如用汽油和空气在标称的周围压力下工作的传统的PEM燃料电池系统的环境工作温度被限制在大约75°F。在较高的环境温度下工作的燃料电池所失去的水比在电池堆中所产生的水多，因此将需要补充用于燃料处理的水。实际上，在大约100°F的环境温度下，传统的PEM燃料电池系统在它的整个工作电功率范围内都需要补充水。
在PEM燃料电池中，水平衡的一个因素是在过程空气输入口28所接受的过程空气中的水量或过程空气湿度与离开过程空气口30的过程空气的水量或过程空气湿度之间的差。传统的PEM燃料电池通常使用环境过程空气，这些空气在燃料电池中只通过一次。由于当来自于重合物或燃料的氢与过程空气中的氧反应时生成水，因此，进入燃料电池的环境空气与已经拾取了电池堆阴极侧水的离开燃料电池的过程空气相比，则相对干燥一些。由于通过过程空气出口孔的蒸发是在电池堆中的电化学反应产生的，因此，在进入燃料电池的相对干燥的环境空气与离开燃料电池的潮湿过程空气之间在蒸汽压力上较大差别导致了损失更多的水。
人们发现，使一部分排出的过程空气循环可以在较高环境温度下，例如在大约90°F到100°F的环境温度下使基于汽油和空气的电机实现水平衡。在过程空气输入口28之前，潮湿的排出过程空气与新鲜的环境空气相混合，这些潮湿的排出过程空气增加了燃料电池12的空气输入口28的过程空气的湿度(也就是结露点)。因此，燃料电池12的空气输入口28和空气输出口30的过程空气蒸汽压力之差相对于使用单通道的过程空气的燃料电池来说得到了减少。相对于通过燃料电池电化学反应所产生的水来说，在蒸汽压力方面所减少的差使得空气输出口的空气排出孔所蒸发的水和所损失的水更少。相对于蒸汽压力差别更大的系统，所减少的蒸汽压力差别导致了在更高环境温度(也就是高达100°F)下水的平衡或自给自足。因此，与使用单通道的过程空气的PEM燃料电池相比，自给自足的水管理系统可以在一个更宽的环境工作温度范围内实现。再者，由于高水位水蒸发而引起的变干和损坏电池堆膜的危险降低到了最小。
现在参考图1，解释实现水平衡的过程。在工作过程中，冷却剂由水源37提供，并进入冷却剂输入口36。冷却剂防止在高达大约100°F的环境工作温度下燃料电池的过热。举一个例子，通过对汽油燃料处理，使燃料处理系统25中的重整油具有饱和的大约40％到45％氢[干基(dry base)]，这种重整油从燃料输入口20进入PEM燃料电池12中。在反应后，有大约80％的氢得到利用或消耗，燃料在饱和状态下，从燃料输出口22离开电池堆。同时，在环境温度下，利用风机33，使过程空气从过程空气输入口28进入PEM燃料电池12中。在电极上出现的电化学反应导致在阳极上形成电子和氢离子。电子流流向外部负载电路(未示出)，而氢离子流则经过膜流向阴极，在那里，它们与氧反应形成水，并且还释放热能。然后，湿润的过程废气通过空气出口30离开PEM燃料电池12。离开燃料电池12的过程空气然后从输入口48进入可调节的气流阀44，并利用风机59，使部分湿润的过程废气在气流阀44中转向，从气流阀44的第一个输出口50流出，流过空气循环管线52。然后，在混合点46处，循环空气同风机33所提供的新鲜环境温度空气相结合或相混合，以便使混合空气得到湿润。然后，湿润的过程空气进入燃料电池12的空气输入口28。
在大约90°F到100°F的高温工作环境下，例如，在汽油/空气电机，在发电的同时，使离开PEM燃料电池12的空气排出口30的过程空气以可调节的百分比返回到空气入口28，由此维持水平衡。这个比例可以表示为循环空气送排比(recycle-to-air vent ratio)，循环空气送排比定义为经第一个气流阀44的第一个输出口50返转到燃料电池输入口的空气量与离开第一个气流阀44的第二个输出口54的空气量之比，第二个输出口54用于回收水。最好，为了实现在例如大约90°F到100°F的高温工作环境下的水平衡，循环空气送排比大约为2，但是，假如环境温度再进一步升高，可以稍微地向上调节这个比例来维持水的平衡。
相对于采用单通道过程气流的标准PEM燃料电池系统来说，过程空气循环可以允许从空气排出口30离开燃料电池12的过程空气具有较高的温度。空气循环导致空气的增加或氧的利用，或在过程空气中所使用的一定百分比的氧产生副产品水。例如对于空气利用率为大约30％的单通道过程气流的传统PEM燃料电池系统，当大约2/3的出口过程空气量被转向到燃料电池的空气入口(也就是循环空气送排比大约为2)时，空气利用率将会为大约55％。空气利用率的提高还会导致过程空气具有较高的空气结露点，因此在离开燃料电池12的过程空气中允许较高的温度。较高温度过程空气允许PEM燃料电池在较高的环境温度下工作，而仍然维持水的自给自足(也就是说，同在电池堆中所产生的水相比，通过出口孔没有失去更多的水)。
在高的环境温度下工作的PEM燃料电池的处理方法(trade-off)是，当环境温度增加时，在维持水平衡的同时降低PEM燃料电池能够产生的额定电功率的百分数。另一个处理方法是，为了在高的环境温度下工作，利用空气循环或进一步增加循环空气送排比的数值，减少过程空气中的氧的浓度，而降低电效率。因此，维持水平衡的循环空气送排比的数值是环境工作温度和由燃料电池所产生的额定电功率百分数二者的函数。正如上面所提及的，作为维持水平衡的另一个安全措施，循环空气送排比也可以是系统中所存储的冷却剂的位置函数。
为了将经燃料电池12的气流阀44的循环空气送排比调节到能在所检测的环境温度下能维持水平衡的水平，因此微处理器78接受来自于温度测量装置76的环境温度信息、来自于电功率测量装置70的电输出功率信息、并且最好还接受来自于冷却剂传感器39的冷却剂位置信息。通过将PEM燃料电池系统限制在一个环境工作温度的范围内，能够很容易地确定维持水平衡的比例系数，并且对于每个温度确定了同在维持水平衡的同时燃料电池系统所产生的额定输出电功率的最高百分数相联系的循环空气送排比。正如后面将更加全面解释的那样，图4是对于汽油发电的PEM燃料电池系统在环境温度和获得水平衡的额定输出电功率百分数之间的这样一种关系的例子。
图2表示在环境压力的PEM燃料电池系统中，就各种不同的燃料，为了维持水平衡或自给自足，排出过程空气结露点与系统空气利用率之间的关系。曲线100、110、120、130以及140表示各种不同的燃料汽油、乙醇、甲烷、甲醇、和氢，其排出过程空气结露点和系统空气利用率之间的关系。正如从曲线100-140所能看到的那样，随着空气利用率的提高，在较高的继续增加的排出过程空气结露点上，水平衡得到了维持。空气利用率的提高减少了在燃料电池空气入口的过程空气和空气出口的过程空气之间的蒸汽压力差别。因此，通过废气排出口蒸发的水更少。相对于利用单通道过程空气的燃料电池，增加系统空气利用率的结果是，在较高的继续增加的排出过程空气结露点上，水平衡得以实现，这就允许汽油/空气PEM燃料电池在大约90°F到100°F的较高环境温度下无水损失地工作。
图3表示各种不同单通道利用率的整个空气利用率与过程废气循环的函数。特别地，曲线200、210、220、230以及240分别示出了对于单通道利用率为30％、40％、50％、55％以及60％时的整个空气利用率。正如从曲线200-400所能看到的那样，增加所循环的过程废气量(也就是增加循环空气送排比)就增加了整体空气利用率。增加整体空气利用率就增加了系统的排出结露点(图2)，这又提高了环境温度，在这个环境温度下，PEM燃料电池系统在维持水平衡的同时而工作。
图4表示在维持水平衡的同时，环境温度和冷却器工作温度与PEM燃料电池系统的额定电输出功率之间的关系。图4是空气利用率的曲线图，该曲线图表示从额定电功率为大约20％时的大约60％的空气利用率(由参考标线312所示的、与20％额定电功率对应的横坐标位置)到额定电功率为大约100％时的大约30％的空气利用率(由参考标线314所示的、与100％额定电功率对应的横坐标位置)的线性变化。曲线300表示具有过程空气循环的这种关系，而曲线310表示没有过程空气循环的这种关系。正如通过曲线300所能见到的那样，在PEM燃料电池的阴极一侧循环的过程空气的好处在于当燃料电池正在满额定电功率工作时，在环境温度高达大约90°F到大约95°F之间时，水平衡得以维持。然而，曲线310表示使用单通道过程气流的PEM燃料电池系统仅在高达大约75°F的环境温度下能够维持水平衡。因此循环的过程空气允许PEM燃料电池系统相对于单通道过程气流系统在一个更大的环境工作温度范围内维持水的平衡。
曲线300进一步表示前面所提及的一种处理方法(trade-off)，这种方法中，当环境温度升高时，燃料电池的额定电输出功率必须降低。例如，有循环空气工作的燃料电池能够如沿曲线300在点302处所示的那样在大约93°F的环境温度中，在满额定电功率下维持水平衡。可是，随着环境温度升高到大约100°F，正如沿曲线300在点304处所示的那样，为了维持水平衡，燃料电池的连续最大电输出功率必须下降到其额定值的67％。然而，瞬时电功率不受影响。
图5表示在大约100°F的环境工作温度下，补充水和汽油发电环境压力50KW的PEM燃料电池系统的电输出功率之间的关系。图5是空气利用率的曲线图，该曲线图表示表示从额定电功率为大约20％时的大约60％的空气利用率(由参考标线412所示的、与20％额定电功率对应的横坐标位置)到额定电功率为大约100％时的大约30％的空气利用率(由参考标线414所示的、与100％额定电功率对应的横坐标位置)的线性变化。曲线400表示循环空气送排比为2时PEM燃料电池的关系，曲线410表示没有循环空气的PEM燃料电池系统的关系。如曲线410所示，在使用单通道过程空气的PEM燃料电池系统的满电输出功率范围内都需要补充水。相反，曲线400表示空气循环的PEM燃料电池系统在额定电输出功率从0到大约67％的范围内能维持水的平衡或自给自足，这也如图4中的曲线300上的点304所示。
具有过程空气循环的这种燃料电池系统例如用于汽车发电是可行的。汽车很少在一个较长时间内以100％的额定电功率工作。通常，汽车工作在额定电功率的大约25％到大约50％的范围内。因此，具有空气循环的汽车PEM燃料电池系统在巡视状态(cruise conditions)或低运行电功率时积累水，而在高电功率运行时可以消耗水，以便维持总体水平衡或自给自足。
尽管已经参考举例性的实施例表示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解到，在不超出本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上作出前述的和各种不同的改变、省略和增加。因此，通过说明的方式而不是限制的方式表示和描述了本发明。
权利要求
1.一种PEM燃料电池系统，包括PEM燃料电池，它具有冷却剂输入口和冷却剂输出口、燃料输入口和燃料输出口、以及空气输入口和空气输出口，空气输入口在大约环境温度下连接到新鲜空气源；可调气流分离器，它具有一个输入口、第一和第二个输出口、以及一个控制口，用于调节从气流分离器的第一个输出口输出的空气量与从气流分离器第二个输出口输出的空气量的比(循环空气送排比)，气流分离器输入口与PEM燃料电池的空气输出口相连，分离器的第一个输出口与PEM燃料电池的空气输入口相通；环境温度测量装置，用于产生温度信号；电功率测量装置，它与燃料电池的电极相连，用于产生表示通过燃料电池所产生的额定电功率的百分数的电信号；和处理器，具有输入端和输出端，输入端与温度测量装置、电功率测量装置相连，输出端与气流分离器的控制输入端相连，处理器控制气流分离器，以便把燃料电池系统的循环空气送排比调节到预定值，从而在所检测到的环境工作温度下和所检测到的功率水平上维持燃料电池系统的总体水平衡。
2.如权利要求1所定义的PEM燃料电池系统，其中，处理器调节气流分离器，以使离开燃料电池空气输出口的废气的大约三分之二量(循环空气送排比大约为2)转向而返回到PEM燃料电池的空气输入口。为了使单通道气流的空气利用率由大约30％上升到大约55％，分离器使离开燃料电池空气输出口的预定部分废气量转向而返回到PEM燃料电池的空气输入口。
4.如权利要求1所定义的PEM燃料电池系统，进一步包括与处理器输入端相连的冷却剂位置检测器，用于当燃料电池系统中存储的冷却剂量下降到预定位置或数值时通知处理器略微增加循环空气送排比。
5.一种操作PEM燃料电池系统的方法，包括以下步骤提供PEM燃料电池；引导燃料或重整油经燃料输入口和燃料输出口而通过PEM燃料电池；引导冷却剂经冷却剂输入口和冷却剂输出口而通过PEM燃料电池；引导其温度大约为环境温度的新鲜空气经空气输入口和空气输出口而通过PEM燃料电池；测量燃料电池的环境工作温度和燃料电池的电输出功率；调整气流分离器，以便将预定的一部分量的废气转向而返回到燃料电池的空气输入口，从而将在所检测到的环境工作温度下维持燃料电池系统中的总体水平衡。
6.一种如权利要求5所定义的方法，其中，转向而返回到PEM燃料电池的空气输入口的过程废气的预定部分量大约是2/3(即循环空气送排比大约为2)
7.一种如权利要求5所定义的方法，其中，提供PEM燃料电池的步骤包括提供适合于获取30％空气利用率的单通道过程空气流的燃料电池，以便通过使离开燃料电池空气输出口的部分废气转向而返回到燃料电池空气输入口，使PEM燃料电池系统的空气利用率达到大约55％。
8.一种如权利要求5所定义的方法，其中，引导燃料或重整油的步骤包括引导具有大约40％到大约45％的氢[干基(dry base)]的燃料或重整油。
9.一种如权利要求5所定义的方法，进一步包括以下步骤检测存储在燃料电池系统中冷却剂量或位置；以及当冷却剂下降到低于预定位置或低于预定数值时，调节气流分离器以略微增加转向而返回到燃料电池空气输入口的部分废气量。
全文摘要
一种PEM燃料电池系统,包括PEM燃料电池,该电池具有燃料或重整油、过程空气和冷却剂的各输入口和各输出口。将离开燃料电池空气输出口的潮湿废气量的预定部分转向而返回到空气输入口,并与在环境温度下进入PEM燃料电池的新鲜空气相结合,以维持在高温工作环境下燃料电池中的水平衡。循环空气送排比由处理器来控制,处理器根据环境温度和燃料电池的功率水平来调节循环流量。
文档编号H01M8/06GK1301406SQ99806384
公开日2001年6月27日 申请日期1999年5月18日 优先权日1998年5月19日
发明者小莱昂纳尔·J·邦维尔, 德良·杨 申请人:国际燃料电池有限责任公司