环境压力下采用部分空气加湿的燃料电池系统的操作方法技术方案

提供一种能在高温及近环境压力工作的，对输送到燃料电池组的空气局部加湿的燃料电池系统。电池组的燃料电池在其阴极装有阴极扩散阻挡层。所述的系统包括一个使液态冷却液通过电池组循环的冷却回路。在某些实施例中，引入的空气由从气体交换加湿器阴极排气流传递的水蒸气或由热函轮局部加湿。在其他一些实施例中，采用阴极再循环局部加湿引入的空气。空气和阴极排气流的湿度保持低于电池组的饱和点。还提供了操作这种燃料电池系统的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用部分空气加湿的环境压力燃料电池系统
本专利技术涉及在或接近环境压力工作的燃料电池系统，特别涉及在或接近其中部分空气加湿的环境压力工作的燃料电池系统，以及这类系统的工作方法。
技术介绍
在技术上人们都知道燃料电池。燃料电池使一种包括氢的燃料流和一种包括氧的氧化剂流发生电化学反应而产生电流。燃料电池已应用于交通、移动及固定电源应用中。在聚合物电解质薄膜(FEM)燃料电池工作中，水控制问题是关键性的。要求薄膜加湿以保持最佳性能。因为薄膜水含量降低，可能使它失去迁移质子的能力，电阻提高，燃料电池性能降低，薄膜可能失效。为保证薄膜充分加湿，通常对输送到燃料电池组的反应物流进行加湿。同时，必须排除存在于阴极的水，这些水是在阴极产生的，或由于电渗牵引从阳极跨越薄膜传送来的，如不排除这些水，可能浸没阴极。已采用多种方法加湿输送到燃料电池的反应物流。例如，使反应物流和液态水在一种透水薄膜的相反的侧面流动，可以加湿反应物。燃料电池产生的水可在反应物排气流中冷凝，然后用于加湿。水蒸气或雾化水滴也可注入到反应物流中。使氧化剂流和氧化剂排气流在一个综合热及湿度交换装置中的透水薄膜的相反侧面流动，也可使氧化剂流加热和加湿。在US6007931及共同转让的US6416895B1中，说明了这种装置的例子。当然，在其他系统要求的范围内，也必须考虑水控制问题。例如，在诸如汽车系统的许多应用中，高功率密度(单位体积的功率输出能力)工作是必要的，这是操作局部载荷的能力。在这类动态载荷条件-->下，保持燃料电池中合适的水的平衡可能是技术上面临的一个特别挑战。实现这些目标的一个途径是使燃料电池组在较高压力下工作。燃料电池中反应物较高的分压支持较高的功率密度工作和较高的工作温度。跨过反应物流场较高的压力降也允许从燃料电池中用机械方法清除液态水。然而，这种方法要求昂贵的空气压缩和氢再循环设备，因而使这种发电装置成本提高、更加复杂、尺寸增大，并带来明显的附加功率损失。反应物加湿系统也使动力装置成本提高、更加复杂、尺寸增大。还可使能在高压工作的电池组零件，如密封零件的成本提高。而且，液态水的控制问题也可导致电池在动态负载状态工作不稳定。另一种方法是采用芯吸或类似的被动装置向薄膜供水。例如，UTC Fuel Cells，LLC发展的聚合物电解质薄膜燃料电池动力装置就采用这种方法。邻接多孔阳极和/或阴极支撑层的多孔传水板很容易把水输送到阳极和/或阴极表面。这样的动力装置可以在近环境压力工作，因而可以降低源于空气压缩机的成本和功率损失。这个方法也有一些缺点。例如，传水板和冷却液回路很复杂。工作和控制系统也很复杂：所产生的水进入冷却液回路，而又必须清除；在反应物流场和冷却水循环通道之间产生一个压力差，以促使水输送通过多孔支撑层和电池；和/或采用双冷却液回路以保证在较高环境压力下的水平衡。这种动力装置也要求具有冷起动能力的复杂系统，如在停止工作时把甲醇或乙醇引入冷却液通道，以防止存在这里的水冻结，或者引入一种不挥发的有机防冻液到传水板中。而且，在具有多孔传水板的聚合物电解质薄膜燃料电池中采用零相对湿度反应物流进行工作，最终将导致聚合物电解质薄膜电解质的干燥；US2002/0068214A1公开了引入一种阳极和/或阴极电解质干燥阻挡层可以限制电解质中水的损失。为保持充分的水平衡所做的这些工作涉及到附加的成本、重量及体积的增加、以及燃料电池性能的损失，并往往要求复杂的控制装置。US6 451 470B1和CA2 342 825A1公开了在垂直于薄膜方向具-->有透气性梯度的气体扩散层，这种扩散层阻止水透过薄膜扩散(一种“气体扩散阻挡层”，或GDB)。这使得燃料电池可在没有对反应物外部加湿的情况下工作。通过以较高的化学计量把空气输送到阴极流场，这种气体扩散阻挡层结构也可以对燃料电池进行空气冷却。例如，CA2342825A1申请公开所采用的空气比，即化学计量为8-70。然而，使用这类无源的水控制系统的环境压力燃料电池系统不适于高功率密度应用和/或在高温下工作。例如US6 451 470专利公开了如果以环境压力输送空气，采用气体扩散阻挡层的燃料电池最高工作温度约为75℃。按照这个US6 451 470专利，在较高温度，具有足够低的水的有效扩散系数的一种气体扩散阻挡层已不能保证反应物气体(特别是氢)的充分扩散，虽然提高空气压力使工作温度得到提高(见第3栏，第29-42行)。实际上，US6 451 470专利公开的这个系统证明：在近环境空气压力下，当功率密度超过503mA/cm2(毫安/厘米2)时，其性能急剧降低(见第7栏，第50-60行)。已经发表的采用UTCFuel Cell多孔双电极板的电池组的结果揭示了在65℃的最佳性能(见D.J.Wheeler等人的论文，新材料电化学系统杂志，2001年第4期，P233-238)。希望有一种在不要求清除液态水或输入压缩空气情况下可在较高电流密度和较高温度保持燃料电池水平衡的燃料电池发电装置。本专利技术解决了普通燃料电池发电装置的缺点，并提供相关的优点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种燃料电池系统及其操作方法。也提供了燃料电池动力装置和装有本燃料电池系统的车辆。在一些实施例中，本燃料电池系统包括：一个燃料电池组；一个把燃料输送到电池组的燃料系统；一个在近环境压力下把空气输送到电池组的鼓风机；一个与输送到电池组的空气流和流出电池组的阴极排气流流体相连的，用于把阴极排气流中的水蒸气加入到空气流的加湿装置；一个用于使液态冷却液通过电池组循环的冷却液回路。电池组中的燃料电池装有一个阴极气体扩散阻挡层。-->在其他一些实施例中，本燃料电池系统包括：一个由具有阴极扩散阻挡层装置的燃料电池构成的燃料电池组；一个把燃料输送到电池组的燃料系统；一个在近环境压力下把空气输送到电池组的空气输送装置；一个传递阴极排气流的水蒸气到输送到电池组的空气中的加湿装置；一个用于使液态冷却液通过电池组循环的冷却液回路。本燃料电池系统可以是用作车辆的动力装置的组成部分；可以作为固定应用联合发电的组成部分，或作为移动电源、备用电源或UPS(不间断电源)的发电机的一部分。在某些实施例中，本专利技术的方法包括：在近环境压力下把化学计量过剩的空气输送到电池组；把阴极排气流输送到加湿装置；保持空气相对湿度低于电池组进口饱和点；保持阴极排气流相对湿度低于电池组出口饱和点；使电池组在高于约75℃的一个温度工作。附图说明图1和2简略表示本专利技术燃料电池系统的实施例。在这些附图中，用相同的标号标识类似元件或作用。图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各元件的形状和角度没有按比例绘制，某些元件任意放大和定位，以改进图的清晰度。而且，所绘制的元件的特殊形状并不传递有关该特定元件实际形状的任何信息，选择这种形状仅仅为了容易在图中识别。具体实施方式在下文的说明中，陈述了某些专门的细节，以便对本专利技术各实施例有一个全面的理解。然而，技术人员都知道，没有这些细节，也可以实施本专利技术。在其他情况中，与燃料电池、燃料电池组、蓄电池、燃料电池系统相关的，众所周知的结构，不作显示和详细说明，以避免对本专利技术实施例进行不必要的烦琐陈述。除非另有要求，在下面的整个说明书及权利要求书中，术语包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：一个由多个燃料电池组成的燃料电池组，燃料电池具有一个阴极气体扩散阻挡层；一个把燃料输送到电池组的燃料系统；一个在近环境压力把空气输送到电池组的鼓风机；一个与输送到电池组的空气流和流出电 池组的阴极排气流流体相连的加湿装置，用于把阴极排气流的水蒸气传递到空气流；一个使液态冷却液通过电池组循环的冷却液回路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-3-3 60/451,9431.一种燃料电池系统，包括：一个由多个燃料电池组成的燃料电池组，燃料电池具有一个阴极气体扩散阻挡层；一个把燃料输送到电池组的燃料系统；一个在近环境压力把空气输送到电池组的鼓风机；一个与输送到电池组的空气流和流出电池组的阴极排气流流体相连的加湿装置，用于把阴极排气流的水蒸气传递到空气流；一个使液态冷却液通过电池组循环的冷却液回路。2.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，鼓风机是一种可变速鼓风机。3.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括一个位于加湿装置上游的、并与之流体连通的空气过滤器。4.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，加湿装置包括一个气体交换加湿器。5.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，加湿装置包括一个热函轮。6.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，鼓风机位于加湿装置的下游。7.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括一个阴极再循环回路，用于至少把一部分阴极排气流返回到燃料电池组。8.按照权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括一个安装在阴极再循环回路中的节气门。9.按照权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，还包括一个安装在阴极再循环回路的再循环鼓风机。10.按照权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，阴极再循环回路与输送剩余阴极排气流到其中的加湿装置流体连通。11.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，燃料基-->本上是纯氢。12.按照权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，燃料输送系统是紧密封闭的。13.按照权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，燃料输送系统包括一个氢再循环回路。14.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，冷却液回路还包括一个热交换器。15.按照权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于，热交换器包括一个辐射器。16.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，冷却液可从去离子水、乙二醇和其混合物中选择。17.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，气体扩散阻挡层包括一种膨胀石墨板材。18.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，气体扩散阻挡层包括一种多孔导电材料，其一个区域用固体材料填充，因此降低了这个区域的孔隙率。19.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，气体扩散阻挡层包括一个层压件，层压件的第一层安排在第二层和燃料电池薄膜之间，相对于第二层，第一层对水蒸气具有较低的渗透性。20.按照权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：理查德A塞德奎斯特，布赖恩W维尔斯，亚历克斯莫斯曼，克雷格R路易，
申请(专利权)人：百拉得动力系统公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]