燃料电池系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统
本专利技术涉及燃料电池，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)。
技术介绍
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。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。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。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。因此本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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；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；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；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。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。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。然而，在根据本专利技术的系统中，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，尤其当根据本专利技术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。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。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。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。“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。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。然而，在本专利技术里，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。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。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。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。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。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。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，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.27 FR 14615501.一种燃料电池系统，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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·帕加内利，V·布拉亚尔，
申请(专利权)人：米其林集团总公司，米其林研究和技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR