燃料电池系统

摘要

本发明涉及一种燃料电池系统，其包括：形成聚合物离子交换膜燃料电池(6)的电化学单元的堆叠,燃料气体供应回路以及氧化气体供应回路。所述氧化气体供应回路包括压缩机(3)和排气出口(10)，所述压缩机(3)用于在环境空气进入燃料电池(6)之前将环境空气压缩，所述排气出口(10)用于排放离开燃料电池的气体。所述供应回路在第一接入点(7)和第二接入点(8)连接到燃料电池。所述系统还包括具有两个位置的切换元件(11)：在第一位置，压缩机(3)的出口连接到第一接入点(7)，并且第二接入点(8)连接到排气出口(10)；在第二位置，压缩机(3)的出口连接到第二接入点(8)，并且第一接入点(7)连接到排气出口(10)。所述系统的特征在于其包括在第一接入点(7)的上游位于氧化气体供应回路中的水分储备装置。

权利要求

1.一种燃料电池系统，其包括：形成聚合物离子交换膜燃料电池(6)的电化学单元的堆叠,燃料气体供应回路以及氧化气体供应回路；

所述氧化气体供应回路包括压缩机(3)和排气出口(10)，所述压缩机(3)用于在环境空气进入燃料电池(6)之前将环境空气压缩，所述排气出口(10)用于排放离开燃料电池的气体；

所述供应回路在第一接入点(7)和第二接入点(8)连接到燃料电池；

所述系统还包括具有两个位置的切换元件(11)：在第一位置，压缩机(3)的出口连接到第一接入点(7)，并且第二接入点(8)连接到排气出口(10)；在第二位置，压缩机(3)的出口连接到第二接入点(8)，并且第一接入点(7)连接到排气出口(10)；并且所述系统的特征在于其包括在第一接入点(7)的上游位于氧化气体供应回路中的水分储备装置，以及所述系统还包括两个压力传感器，所述两个压力传感器安装在氧化气体供应回路内，并分别位于切换元件与第一接入点之间以及切换元件与第二接入点之间。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水分储备装置由吸湿材料构成。

3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池系统，其中，所述电化学单元由双极板分隔，在双极板的每个表面上配置用于燃料气体和氧化气体的循环的通道，其特征在于，第一接入点和第二接入点形成通道的入口和出口。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述切换元件是四通阀。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述切换元件包括联接至四通阀的永磁角度电机。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述切换元件安装在还包含一个或多个燃料电池管理系统的燃料电池的端板上。

7.一种用于控制根据前述权利要求1-6的任一项的燃料电池系统的方法，所述方法包括：控制切换元件以使其根据非对称的周期循环切换元件从第一位置移到第二位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述周期循环有15秒的持续时间。

9.根据权利要求7或者8所述的方法，其包括测量燃料电池内的温度的步骤，并且其中，切换元件的控制仅当燃料电池的温度变得高于预定阈值时进行。

说明书

燃料电池系统

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池，特别地，但不仅限于，涉及具有聚合物膜形式的电解质的类型的燃料电池(即，PEFC(聚合物电解质燃料电池)类型)。

背景技术

[0002] 众所周知，燃料电池利用燃料气体和氧化气体直接通过电化学的氧化还原反应来产生电能，而不用经过机械能转化步骤。此项技术是有前景的，特别是在汽车应用方面。燃料电池包含一堆基本单元，每个单元包含：阳极、阴极、和充当电解质的离子交换膜。在燃料电池的运行期间，两个电化学反应同时发生：在阳极的燃料的氧化反应，和在阴极的氧化剂的还原反应。这两个反应产生正负离子，它们在膜上结合在一起并以电势差的形式产生电力。在氢氧燃料电池的情况下，是H+和O-离子结合在一起。

[0003] 膜电极组件，或者单元，是串联堆叠的并由双极板隔离，该双极板把电子从一个单元中的阳极导向邻近单元的阴极。为此，在与膜接触的双极板的整个表面上配置了通道。每个通道都具有燃料或者氧化剂进入的入口，以及排放惰性气体、电化学反应产生的水分和氢气的剩余水分的出口。下文中，我们用“阴极通道”来表示与单元里的阴极所接触的通道。

[0004] 氧化剂气体的提供(特别是用空气的情况下)由压缩机来实现，该压缩机处于燃料电池的气路的上游。我们注意到，由于压缩，离开压缩机的气体是热的并且是干燥的，因此该气体有干燥聚合物膜的趋势，由此导致燃料电池的性能的下降，并使该膜退化。事实上，膜的质子电导率随着湿度而增加，因此有必要保持一定的湿度水平以获得更高水平的性能。

[0005] 因此有必要在气体到达膜之前加湿气体。为此，公知的是加湿设备，离开燃料电池的气体中所含的水分在其中通过渗透被转移到进入燃料电池的干燥气体中。这些加湿设备具有相当大尺寸的外壳。此外，为了实现渗透，一种(例如用 制作的)膜被应用。这种膜是相当昂贵的。而且，我们注意到利用这样的加湿方法，在位于燃料电池双极板上的用于传输气体的通道中，湿度是不均匀的。甚至，进入通道的预加湿气体在穿过通道的过程中有进一步加载水分的趋势，由此导致在通道出口处的湿度远高于在通道入口处的湿度。

[0006] 因此本发明旨在提出一种解决方案，以加湿在燃料电池的阴极通道中流通的气体，同时解决现有技术的缺陷。

发明内容

[0007] 本发明因此提供了一种燃料电池系统，其包括：形成聚合物离子交换膜燃料电池的电化学单元的堆叠,燃料气体供应回路以及氧化气体供应回路；

[0008] 所述氧化气体供应回路包括压缩机和排气出口，所述压缩机用于在环境空气进入燃料电池之前将环境空气压缩，所述排气出口用于排放离开燃料电池的气体；

[0009] 所述供应回路在第一接入点和第二接入点连接到燃料电池；

[0010] 所述系统还包括具有两个位置的切换元件：在第一位置，压缩机的出口连接到第一接入点，并且第二接入点连接到排气出口；在第二位置，压缩机的出口连接到第二接入点，并且第一接入点连接到排气出口；并且所述系统的特征在于其包括在第一接入点(7)的上游位于氧化气体供应回路中的水分储备装置。

[0011] 如随后借助附图所解释的，这种系统可以保持膜的良好的加湿作用，同时避免了使用如现有技术中用到的笨重又昂贵的加湿设备。

[0012] 我们知道燃料电池中的电化学反应所产生的水分通常在一个单元的膜的整个表面上均匀地生成。另一方面，除了燃料电池的运行所产生的水分，还有在通道中循环的气体所传输的水分。因此，我们注意到，全部水分的量，以及湿度，在有效表面上是不均匀的，并且沿着气体的流动方向而增加。

[0013] 然而，在根据本发明的系统中，气体的流动方向根据切换元件的位置而变化，这将导致湿度的变化，尤其当根据本发明的系统根据切换元件在第一位置和第二位置之间的周期循环而被控制的情况下。

[0014] 特别地，当切换元件在第一位置时，氧化气体的流动和燃料气体的流动在同一方向，这种情况被称为“同向流动。”这种情况的举例如图3a所示，可以看出，氢气和空气的流动方向是相同的。

[0015] 相反地，当切换元件在第二位置时，氧化气体的流动与燃料气体的流动在相反的方向上，这种情况被称为“反向流动”。这种情况的举例如图3b所示，可以看出，氢气和空气的流动方向是相反的。

[0016] 因为湿度在气体的流动方向上增加，在“反向流动”情况下，在整个膜的表面产生了相对均匀的湿度。另一方面，在“同向流动”情况下，对应于气体入口的膜的部分比对应于气体出口的膜的部分具有更高的干燥度。

[0017] “同向流动”和“反向流动”的交替因此会导致膜电极组件上的高湿度变化，并且可能会导致燃料电池的过早退化。

[0018] 在整个描述里，我们将会采用相同的表达“第一位置”和“同向流动”，以及“第二位置”和“反向流动”。第一种表达涉及切换元件的位置，同时第二种表达反而涉及到气流的运动。

[0019] 然而，在本发明里，湿度的变化因为氧化剂供应回路中，第一接入点的上游的水分储备装置的存在而受限。特别地，当燃料电池在“反向流动”位置运行时，离开燃料电池的气体穿过水分储备装置，该水分储备装置因此加载了水分。在此期间，水分储备装置变得装满了水。然后，当燃料电池在“同向流动”位置运行时，水分在气体进入燃料电池之前回到气体上，因此极大地限制了膜上所经历的湿度的变化。

[0020] 在一个优选的实施方案中，水分储备装置由高吸湿性材料构成，例如蜂窝结构的纸和棉纤维。在另一个例子中，可以设想利用堇青石基材料。水分储备装置的体积根据燃料电池的功率优先匹配。例如，对于10KW的燃料电池，水分储备装置由纸纤维构成并且体积大约是250cm3。在一个优选的实施方案中，电化学单元由双极板分隔，在每个双极板的表面上配置了用于燃料气体和氧化气体流通的通道，其特征在于，第一和第二接入点形成了通道的入口和出口。因此，切换元件位于第一位置时，气体在通道里从第一点到第二点流通，并且当切换元件位于第二位置时，反之。

[0021] 在一个优选的实施方案中，切换元件是四通阀。该阀可以是单稳态或者双稳态阀。

[0022] 据观察，阀的动力学(即从一个位置到另一个位置的切换时间)在位置切换过程中影响到氧化气体输入流中断的持续时间。然而，持续的输入流的中断会导致氧化剂的暂时短缺，并且导致燃料电池输出的电力中断。

[0023] 为克服此问题，在一个优选的实施方案中，所述阀装备有永磁角度电机，其运行将在随后借助图示详细描述。该电机能够更快地切换，并且被使用以使燃料电池的入口处氧化气体供应的中断的时间最小化。有利地，该电机安装为电机的轴直接联接到四通阀的轴。这里明确指出，使用了联接有切换元件的这样电机的特征可以独立于如上所描述的水分储备装置的使用之外而要求保护。在另一个优选的实施方案中，系统还包括两个压力传感器，所述两个压力传感器安装在氧化气体供应回路内，并分别位于切换元件与第一接入点之间以及切换元件与第二接入点之间。这两个压力传感器可以通过比较燃料电池入口和出口的压力来持续地检查阀的正确运行。可选择地，也可以通过关联在燃料电池的两个接入点中的一个接入点处的空气的温度的测量来检查空气的流动方向的定期反转。特别地，由于流经燃料电池的空气会被燃料电池加热，流动方向的反转导致在燃料电池的接入点处测得的空气温度的变化趋势的反转。

[0024] 在另一个有利的实施方案中，切换元件安装在还包含一个或多个系统用于管理和/或控制燃料电池，或者包含此种系统的至少一个组件的燃料电池的端板上。这样的板在说明书的剩余部分被称为“系统板”。这种设置可以增加整个燃料电池系统的紧密度，并且也可以促进各种元件的整合。

[0025] 此外，这种较少接触外部气候情况的系统板上的切换元件的设置可以保证切换元件的运行，而不用考虑燃料电池所经历的外部温度。特别地，我们注意到燃料电池在零下温度启动期间，因为残留水分结冰了，致使切换元件有时不能够切换。此外，因为接近，系统板上切换元件的位置可以使切换元件与燃料电池的空气供应通道之间的管道的体积最小化。因此，在每次空气的流动方向反转时被重新引入的离开燃料电池的废气的体积在减少，因此可以使上述的电力中断最小化。

[0026] 本发明还涉及用于控制根据本发明的燃料电池系统的方法，所述方法包括：控制切换元件以根据周期循环使其从第一位置移到第二位置。在一个优选的实施方案中，此循环有几秒到几分钟之间的持续时间，例如15到30秒之间。

[0027] 更优选地，控制方法中周期循环是非对称的，即切换元件停留在第一位置时的持续时间不同于其停留在第二位置时的持续时间。由于氢气的流动方向不能自己反转，此非对称可以考虑燃料电池内部行为的非对称特性。我们理解，在“反向流动”位置，输入的空气和流出的氢气在同向流动，因此通过氢气穿过膜来回收水分。这种情况有利于在空气侧加湿膜和填充水分储备装置，此阶段通常应当持续长于“同向流动”阶段，但不能持续太长，因为它可能会导致阳极失去水分。应当在“同向流动”和“反向流动”持续时间中规定适当的平衡，以便优化燃料电池的整体性能。

[0028] 此外，在一个优选的实施方案中，所述方法包含测量燃料电池内部温度的步骤，在这种情况下切换元件的控制仅发生在当温度高于预定阈值时。这种特性可以改善燃料电池的冷启动情况。甚至，当燃料电池没有解冻时，转换不能实施，这样当燃料电池内的温度可以引起水的立即结冰时避免了加湿整个通道。

[0029] 此外，在一个优选的实施方案中，根据本发明的控制方法可以实现燃料电池入口处空气的定期短缺。这种短缺能够使燃料电池的性能维持更长的时间。特别地，单元的阴极加载着催化剂(即能够提高反应速度的化合物)，阴极是反应的位置。然而，用作阴极催化剂的铂金的逐渐氧化导致了性能的下降，其表现为电压的下降。空气的定期短缺能够使铂金的反应逆转并且变成还原反应，这样可以维持催化剂的性能。

附图说明

[0030] 通过如下附图所显示的各个实施方案的无限制的描述，本发明的其他优点和特征将显现出来：

[0031] -图1显示了现有技术的燃料电池系统的阴极电路；

[0032] -图2显示了根据本发明的燃料电池系统的阴极电路；

[0033] -图3a和3b,已经描述过，显示了在“同向流动”与“反向流动”情况下燃料电池的膜电极组件中的气体循环；

[0034] -图4a和4b,显示了根据本发明结合了角度电机的四通阀的运行；

[0035] -图5显示了，在阀的两个位置间的切换期间，阀的筒部的角度位置；

[0036] -图6显示了根据本发明的系统中使用的电机/阀组件的截面图。

具体实施方式

[0037] 图1显示一种包含了具有聚合物膜形式的电解质的类型的燃料电池6的系统(例如PEFC(聚合物电解质燃料电池)或PEM(质子交换膜)类型)。燃料电池6被提供两种气体，即燃料气体(储存的或者车辆上产生的氢气)和氧化气体(空气或者纯氧气)，这些气体提供了电化学单元的电极。为此，所述系统包含两种气体回路：一个燃料气体供应回路，也称为阳极电路，和一个氧化气体供应回路，也称为阴极电路。图1仅表示了阴极电路的元件以便于了解本发明。当然，本发明不限于这些元件，也可能包括所有本领域技术人员所熟知的并且能够用于此种燃料电池系统的设备。

[0038] 因此，该设备在阴极侧包含空气供应回路。该回路包含：空气输入过滤器1，能够测量输入空气流量的流量计2，空气压缩器3，能够防止离开燃料电池的气体在压缩机3的方向上返回的单向阀4。如上所指出的，在压缩机3的出口处，空气是热的并且是干燥的，因此如果空气引入燃料电池的持续时间太长的话，可能会引起使聚合物膜退化的风险。因此，在常规燃料电池中，例如 牌类型的加湿设备5放置于可以使氧化气体进入燃料电池的入口7的上游。

[0039] 加湿设备5的原理如下：我们知道因为在阴极发生的化学半反应：O2+4H++4e-＝2H2O产生了水，离开燃料电池的气体加载了水分。通过出口8离开燃料电池的气体被引入加湿设备5，同时离开压缩机3的干燥气体进入加湿设备5。加湿设备5包含例如 类型的聚合物膜。一部分离开燃料电池的气体中的水分通过该膜在干燥气体进入燃料电池前转移到干燥气体中，这样可以确保足够的湿度水平，以便不损坏燃料电池6的聚合物膜。在通过加湿设备5之后，离开燃料电池的气体通过压力调节阀9送至排气出口10。这样的配置由于此种加湿设备的使用而有多种缺陷。特别地，因为所述加湿设备表现为燃料电池6的不可忽视的体积的一部分(需注意的是，图1和图2中的尺寸不是按比例的)，它的体积非常庞大。
然而，在移动应用情况下，例如用于汽车，能够尽可能地减少组件的重量和体积是有用的。
此外，用于加湿设备的聚合物膜是相当昂贵的。而且，在运用此类加湿设备的情况下，在阴极侧的双极板的通道中湿度是不均匀的。甚至，因为气体在通过通道的过程中加载了水分，所以在电化学反应过程中，会导致在通道的末端非常大的湿度。

[0040] 为了解决这些缺陷，本发明提供了一种解决方案，如图2所示的一种示例性实施方案。该设备包含阀11，其一侧连接至单向阀4和压力调节阀9，而另一侧在入口7和出口8处连接至燃料电池。阀11是四通阀，其可以是单稳态或者双稳态的。两者间的选择要特别地考虑到系统的能量限制，因为一种情况下，为了保持阀处于第二位置必须要维持电流；而另一种情况下简单脉冲可以使阀从一个位置移动到另一个位置，这在能量消耗方面是优越的。

[0041] 由于阀11的控制，压缩机3的出口交替地连接至燃料电池的入口7和燃料电池的出口8。此处所使用的术语“入口”和“出口”与图1中用法类似，但是在图2的配置中，接入点7和8交替地表示燃料电池的入口和出口。因此，在第一位置，来自压缩机3的气体通过入口7进入燃料电池，它穿过位于双极板上的通道，在此过程中发生了电化学反应。该反应产生的气体从燃料电池通过出口8出现然后送至出口控制阀9。在第二位置，来自于空气压缩机3的气体送至出口8，它穿过位于双极板上的通道到达入口7，然后输出的气体通过阀11送至出口控制阀9。

[0042] 因此气体在通道中一个方向上和另一个方向上交替地循环。然而，如上面所解释的，在通道里的行程中，因为发生的电化学反应，气体加载了水分。因此，在行程的末端发现的部分通道有非常高的湿度。通过交替气体的入口，因此可以使来自于压缩机3的干燥气体通过部分有高湿度的通道进入燃料电池，并因此加载水分，以致不降低聚合物膜的性能。因此，我们提供一种系统，该系统能够确保适当地加湿与膜接触的气体，而不必在所述气体进入燃料电池6之前将其加湿。这在成本和体积方面是非常优越的，因为四通阀是普通设备，以低成本就可以获得并且不是非常庞大。

[0043] 此外，在接入点7和8之间交替气体的入口可以交替气体在通道中的行进方向，因而可以使得整个通道中的湿度均匀。因此，湿度沿着通道呈抛物线变化，在通道的中间达到最高点，而不会达到在常规系统中通道末端所达到的非常高的水平。

[0044] 图4a和4b分别显示了四通阀的第一位置和第二位置，该四通阀由像电磁铁一样运行的永磁角度电机所驱动。图4a对应“同向流动”情况，并且图4b对应“反向流动”情况。

[0045] 优选地，所述阀的控制是非对称的。特别地，“同向流动”情况有比“反向流动”情况能更快地干燥膜的趋势，因此在一个循环中，“同向流动”情况持续5到15秒，而“反向流动”情况持续10到25秒是有利的。

[0046] 图5显示了，在G1曲线上，在阀的两个位置间切换期间，阀的筒部的角度位置。因此，可以看出，筒部的位移时间Td小于40毫秒，这样不会在燃料电池的出口处观测到电力中断，因为燃料电池的电容效应足够维持短暂切换期间的电量。

[0047] 优选地，如图6所示，电机100的轴与四通阀的轴相联接。此外，更有利的是，安装了弹性止挡件102以吸收筒部101在其位移期间所储存的能量，并且限制在图5的区域C1中出现的回弹现象。

[0048] 因此，本发明能够提供一种燃料电池系统，在该系统中保持了气体的水分，而不会过度地增加系统的成本和体积。