燃料电池的聚合物膜的增湿作用的控制制造技术

本发明专利技术涉及一种发电系统，其包括：燃料电池（１），其包括：多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的独立的电池，该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路（１１），而在阴极侧具有可燃气体输送回路；燃料气体或可燃气体之一的循环未被燃料电池消耗的气体的至少一个循环回路（１２及１３），该循环回路包括除湿器（３），该循环回路收集潮湿气体，使该潮湿气体通过该除湿器，并将经除湿的气体送回输送回路（１１）中；其特征在于，所述循环回路包括直接回路（１５），其提取一部分位于该燃料电池下游的潮湿气体，并将该潮湿气体送入该输送回路（１１）而不通过该除湿器（３），该系统包括用于控制潮湿气体与经除湿的气体之间的比例的计量装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池，更具体而言涉及燃料电池在汽车中的应用。
技术介绍
众所周知，燃料电池能够通过氢(燃料)与氧(助燃气体)之间在电化学上的氧化还原反应直接产生电能，而无需经过转化成机械能的步骤。该技术看上去有希望特别用于汽车应用领域。燃料电池通常包括串联的均主要由被电解质分隔的阳极及阴极组成的单位单元(unitaryelements)的联合体。一种适合于汽车应用领域的电解质是固体电解质，其主要由允许离子在阳极和阴极之间通过的聚合物膜组成。该膜的一种特殊类型例如是DuPont公司以商品名“Nafion”提供的。这些薄膜必须具有良好的离子导电性，因为它们允许质子氢穿过，而且它们必须电绝缘从而使电子由电池外部的电路中通过。对于上述类型的膜以及其他用作燃料电池中的固体电解质的膜，已知膜的导电性随其水含量而变化。因此，送入电池的气体必须含有足够的水份。对于燃料，可以使用氢气供应，或者所需氢气是在燃料电池附近通过本身例如用烃类物质供应的转化器产生的。对于可燃气体，用压缩的大气空气供应给燃料电池并从电池下游排出氧含量降低的过量气体，或者用纯氧供应燃料电池。在正常运行期间，燃料电池消耗氢(燃料)和氧(可燃气体，由周围空气或以纯氧的形式供应)。燃料电池是阳极反应侧，该反应使氢气(H2)转化成穿过聚合物膜的质子氢(2H+)以及在外部回路中循环的电子(2e-)。燃料电池同时是阴极反应侧，该反应使质子氢(2H+)、电子-->(2e-)与氧(1/2 O2)结合生成水(H2O)。因此，燃料电池基本上在阴极气体(氧)回路中连续地产生水，水的量与由连接电池的电负载吸收的电流成正比。因此，阴极侧的气体迅速对水饱和，甚至过饱和(即除了气态水以外，还包含液态水)。US2002/0175010号美国专利申请指出，由电池产生的水通常用于确保阴极侧和阳极侧的聚合物膜的增湿作用。对于阳极侧的膜的增湿作用而言，即在氢气循环中，特别建议利用透水膜，其一个表面与对水饱和的空气接触，而另一个表面与氢气接触。然而，除了复合体，无法真正地调节气体中的水含量。JP2004/079251号专利申请描述了在电解槽或转化器内生成的氢气的除湿作用。待除湿的氢气并非来自于循环。建议通过将来自除湿器的除湿氢气与未通过除湿器的在旁路回路中循环的非常潮湿的氢气加以混合而控制氢气的增湿作用，利用上述旁路回路中的比例阀控制后一种流。EP1389806号专利申请描述了一种具有固体聚合物电解质的燃料电池，其具有特殊排列的电池内部导管，从而改进电池中的水保持区域，以控制增湿作用。JP09/180743号专利申请建议通过调节水分离器的温度来控制水含量。所有这些文献均指出对具有固体聚合物电解质的电池实施增湿的问题，但是均未建议在所有情况下均确保对聚合物电解质膜进行正确地增湿的可靠且准确的方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够最优化送入燃料电池的气体的水含量的装置，其电解质使燃料电池具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性。在此情况下，已知在现有电解质中的一类主要由固体聚合物膜组成的电解质。本专利技术提供一种发电系统，其包括：-  燃料电池，其包括：多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的、具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性的独立-->的电池，该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路，而在阴极侧具有可燃气体输送回路；-燃料气体或可燃气体之一的至少一个循环回路，其循环未被燃料电池消耗的气体，该循环回路包括能够将未消耗的气体中所含的水从此除去的除湿器，该循环回路收集位于该燃料电池下游的潮湿气体，使该潮湿气体通过该除湿器，并在经除湿的气体通过该除湿器之后将该气体送回位于该燃料电池上游的输送回路中；其特征在于，所述循环回路包括以平行于该除湿器的方式安装的直接回路，该直接回路提取一部分位于该燃料电池下游的潮湿气体，并将该潮湿气体送入该输送回路而不通过该除湿器，该系统包括用于控制潮湿气体与送回电池上游的经除湿的气体之间的比例的计量装置。说明书下面参考附图详细地阐述本专利技术的所有方面。附图说明图1所示为安装在装配有燃料电池的汽车中的冷却回路。具体实施方式图1所示为具有聚合物膜形式的电解质的类型(即PEFC-聚合物电解质燃料电池-类型)的燃料电池1。然而本专利技术可以应用于具有在受控制的气体增湿条件下以最优化的方式运行的特性的燃料电池的任何电解质。用两种气体，即燃料气体(例如氢气)及可燃气体(来自空气或压缩氧气罐的氧气)，供应电池，将它们送入电化学电池的电极。为了简化，图1仅示出两种气体回路中的一种，即阴极侧的气体回路，其在此情况下是氧气回路(参见图中的O2输送装置)。显然应当理解，相同的配置可用于氢气侧。说明书下面涉及可燃气体的循环回路，即阴极侧的回路，而不以任何方式加以限制。-->附图所示为通过进气管11与电池相连的氧气罐2，其在与燃料电池1的入口相连之前通过不同的元件。该进气管11首先通过截止阀11v，若需要通过其他阀门(未示出)。显然氧气回路形成循环，因为通过电池的气流大于被消耗的量，而且未被电池消耗的流被循环。为此目的，输送回路11由喷射器4中通过。然后，存在一个例如由旋风式分离器组成的水分离器5，即能够通过离心作用将液态水与气体分离的装置。在该旋风式分离器5的下部出口处，管道19使液态水通过燃料电池1的下游，在此重新与燃料电池1的气体的出口管12汇合。最终，输送回路11与燃料电池1的阴极回路的进料口相连。在燃料电池1的出口处，出口管12可以延伸至除湿器3。氧气回路的洗涤装置以旁路的方式与出口管12相连，并且由洗涤阀12v加以控制。除湿器3主要由通过重力收集由气体夹带的液态水的接收器组成。在截止阀11v之后，氧气输送回路通过排列在除湿器3内部的螺旋盘管11s，这主要是用于在氧气膨胀之后再次加热氧气。此外，其用于冷凝存在于蒸汽状气体中的水，这提高了除湿器3的效率。水位探测器31安装在除湿器3内部，排水管向下延伸至除湿器3的底部。通过燃料电池的氧气回路中的压力的作用去除水，该压力作用于接收器内的水的表面从而将水压入排水管。通过排水阀32v控制被挤压的水的量。受控返回管13一侧与除湿器3的上部相连，另一侧与喷射器4相连。泵63安装在该返回管13内。被动返回管14一侧与除湿器3的上部相连，另一侧与喷射器4相连。因此，该被动返回管14以与受控返回管13相平行的方式相连。不包括用于主动控制流的泵或其他装置。包括单向阀14A。通过它的流在喷射器4中发生Venturi效应。直接回路15从除湿器3的旁边经过。可以看出，该回路一侧与除湿器3上游的出口管12相连，另一侧在泵63之后且喷射器4之前的返回管13处终止。该直接回路15包括泵65。-->因此，该循环回路包括出口管12、受控返回管13、被动返回管14、直接回路15以及安装在这些管及回路中的元件，特别是泵63及65，以及除湿器3。受控返回管13及被动返回管14组成干燥气体的循环回路。该直接回路15是潮湿气体的循环回路。控制单元7能够控制该利用燃料电池1的发电系统的各个元件。用于干燥气体与循环的潮湿气体的比例的计量装置包括能够选择性地控制泵63及65的运行情况的所述控制单元7。为此目的，该控制单元利用来自各个传感器的信息，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
发电系统，其包括：－燃料电池（１），其包括：多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的、具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性的独立的电池，该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路（１１），而在阴极侧具有可燃气体输送回路；－用于燃料气体或可燃气体之一的至少一个循环回路，其循环未被该燃料电池消耗的气体，所述循环回路包括能够除去未被消耗的气体中所含的水的除湿器（３），该循环回路收集位于该燃料电池下游的潮湿气体，使该潮湿气体通向该除湿器，并在经除湿的气体已由该除湿器中通过之后将该气体通入位于该燃料电池上游的所述输送回路（１１）中；其特征在于，所述循环回路包括具有泵（６３）的受控返回管（１３），该受控返回管（１３）安装在所述除湿器（３）的下游，所述循环回路还包括以平行于所述除湿器的方式安装的直接回路（１５），所述直接回路（１５）具有泵（６５），所述直接回路（１５）提取位于该燃料电池下游的潮湿气体，并将该潮湿气体送入所述输送回路（１１）中而不由所述除湿器（３）中通过，该系统包括用于控制所述潮湿气体与所述送回该燃料电池上游的经除湿的气体之间的比例的计量装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FR 2004-7-20 04080571、发电系统，其包括：-燃料电池(1)，其包括：多个均具有在固体电解质的各侧上的阳极及阴极的、具有在预定的增湿条件下以最优化的方式运行的特性的独立的电池，该燃料电池在阳极侧具有燃料气体输送回路(11)，而在阴极侧具有可燃气体输送回路；-用于燃料气体或可燃气体之一的至少一个循环回路，其循环未被该燃料电池消耗的气体，所述循环回路包括能够除去未被消耗的气体中所含的水的除湿器(3)，该循环回路收集位于该燃料电池下游的潮湿气体，使该潮湿气体通向该除湿器，并在经除湿的气体已由该除湿器中通过之后将该气体通入位于该燃料电池上游的所述输送回路(11)中；其特征在于，所述循环回路包括具有泵(63)的受控返回管(13)，该受控返回管(13)安装在所述除湿器(3)的下游，所述循环回路还包括以平行于所述除湿器的方式安装的直接回路(15)，所述直接回路(15)具有泵(65)，所述直接回路(15)提取位于该燃料电池下游的潮湿气体，并将该潮湿气体送入所述输送回路(11)中而不由所述除湿器(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：垅田日则，
申请(专利权)人：米其林研究和技术股份公司，保罗谢尔研究所，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]