專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車用燃料電池系統(tǒng)，具體涉及需要加濕的燃料電池。
背景技術(shù)：
1997年由日本專利局公布的JP 9-7621A說(shuō)明一種系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，將液相的水直接加到燃料電池裝置上，并通過(guò)多孔材料加濕流到燃料電池的氣體。按照此方法，使氣體在加濕區(qū)域的氣體加濕板的一側(cè)流動(dòng)。該氣體加濕區(qū)域包含多孔的碳質(zhì)板，該板具有氣密的邊緣，而且使純水在冷卻燃料電池裝置后在另一側(cè)流動(dòng)，使其對(duì)氣體進(jìn)行加濕，該純水流動(dòng)的壓力稍高于在另一側(cè)的氣體壓力。
發(fā)明概要然而，在上述先有技術(shù)加濕系統(tǒng)中，如果考慮到絕緣特性，流向燃料電池的用于加濕的水必須是具有很低電導(dǎo)率的純水。這種純水在-20℃的很低溫度時(shí)，很可能會(huì)結(jié)冰。另外，由于結(jié)冰的相位變化，純水的體積也可能發(fā)生變化。這樣便會(huì)損壞熱交換器。
因此，本發(fā)明的目的是加濕送到燃料電池裝置的氣體，即使在冰點(diǎn)和很低的溫度時(shí)也能加濕該氣體，并使裝置工作。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池；輸送氣體的供氣通道，以使燃料電池發(fā)電；第一防凍劑通道，該通道經(jīng)隔膜鄰接供氣通道，該隔膜可以選擇性通過(guò)防凍劑中的純水，該隔膜裝在燃料電池的內(nèi)部或裝在燃料裝置的上游，水利用在該隔膜上防凍劑蒸汽分壓和供氣的蒸汽分壓之間的差別從第一防凍劑通道轉(zhuǎn)移到供氣中。由此可以加濕供氣通道中的供氣。
在下面的說(shuō)明中說(shuō)明本發(fā)明的細(xì)節(jié)及其它特征、優(yōu)點(diǎn)。這些細(xì)節(jié)、特征及優(yōu)點(diǎn)示于附圖中。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1示意示出本發(fā)明車用燃料電池系統(tǒng)(第一實(shí)施例)。
圖2示出第一實(shí)施例的局部變型。
圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的示意圖。
圖4是供氣加濕控制流程序圖。
圖5示出第二實(shí)施例的局部變型。
圖6是本發(fā)明第三實(shí)施例的示意圖。
圖7示出第三實(shí)施例的局部變型。
圖8是本發(fā)明第四實(shí)施例的示意圖。
圖9示出第四實(shí)施例的局部變型。
優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明參考附圖1，本發(fā)明的車用燃料電池系統(tǒng)的燃料電池裝置11具有氣體通道12a、12b和排氣通道13a、13b。前者分別將重整氣體和空氣輸送到陽(yáng)極(燃料極)和陰極(空氣極)，后者用于排放陽(yáng)極排氣和陰極排氣。
可選擇性使冷凍劑中的純水透過(guò)的隔膜14形成在燃料電池裝置11的上游。該隔膜14可以是例如離子交換膜。在隔膜14的一側(cè)流過(guò)通向燃料電池裝置11的供氣，而在另一側(cè)流過(guò)防凍劑，該防凍劑提供加濕供氣的水。該防凍劑例如是長(zhǎng)壽命的冷卻劑(LLC)(水和聚乙烯醇的混合物)。與該隔膜14接觸的氣體是圖1中的重整氣體，但是與該隔膜14接觸的氣體也可以是流到陰極的空氣。另外，該隔膜14也可以與重整氣體和空氣二者接觸，當(dāng)用氫氣瓶向燃料電池裝置輸送純氫氣時(shí)，與該隔膜14接觸的氣體可以是純氫氣(對(duì)其它實(shí)施例也一樣)。
循環(huán)冷凍劑的泵16、通過(guò)在冷凍劑和外面空氣之間進(jìn)行熱交換而冷卻冷凍劑的散熱器(熱交換器)17以及作為回收設(shè)備的回收桶18形成在冷凍劑通道15上。
在冷卻燃料電池裝置11之后，使防凍劑流向隔膜14，由于從燃料電池裝置11接收到熱量，所以流向隔膜14的防凍劑處于高溫，并且達(dá)到一個(gè)溫度，在此溫度下蒸汽分壓高于在隔膜14相反側(cè)流動(dòng)的供氣蒸汽分壓。因此，隔膜14可使純水選擇性地從處于蒸汽分壓較高的防凍劑側(cè)滲透到蒸汽分壓較低的供氣側(cè)，所以可利用通過(guò)隔膜14的水加濕流向燃料電池裝置的供氣。
流過(guò)與隔膜14接觸部分的防凍劑流向散熱器17，該散熱器與外面的空氣進(jìn)行熱交換。在由散熱器17冷卻到排氣的露點(diǎn)溫度以下之后，冷凍劑流向回收桶18。因此，回收桶18充滿防凍劑，該防凍劑的溫度低于從燃料電池裝置11流出的排出氣體的露點(diǎn)溫度。另外，除防凍劑外，從燃料電池裝置11陰極出來(lái)的排氣通道13b通向回收桶18。從燃料電池裝置11排放的氣體包含在發(fā)電期間作為副產(chǎn)品產(chǎn)生的大量水。
利用起泡法將排放氣體引入到回收桶18中的防凍劑中。產(chǎn)生的空氣泡的浮力造成空氣的上升作用(在回收桶18中產(chǎn)生的對(duì)流)，由于這種空氣的上升作用，包含在排氣中的水和熱量便由防凍劑收集。當(dāng)防凍劑穿過(guò)隔膜14時(shí)，該防凍劑中的水份便降低，但是該水被回收到回收桶18中，所以在防凍劑中的水實(shí)際上保持恒定。這樣即使沒(méi)有安裝輔助的供水裝置例如純水水桶，也可以達(dá)到水的平衡。
在散熱器17的出口防凍劑的溫度是最低的，所以可以將回收桶18的防凍劑溫度降到排氣露點(diǎn)溫度以下，最有效的是在散熱器17的出口附近安裝回收桶18。在圖1中，雖然送到燃料電池裝置11的氣體是在燃料電池裝置11的緊前面被加濕，但是該隔膜可以裝在燃料電池裝置11的里面，如圖2所示。因此送到燃料電池裝置11的氣體可以在燃料電池裝置的內(nèi)部被加濕。
下面說(shuō)明第二實(shí)施例。
在第二實(shí)施例中，和第一實(shí)施例一樣，該供氣由用隔膜14從防凍劑中分離的純水加濕，而且可以利用在回收桶18中的防凍劑回收排放氣體中的水和熱量。
圖3是第二實(shí)施例的示意圖。燃料電池裝置11具有供氣通道12a和12b，以及排氣通道13a和13b，允許防凍劑中的純水選擇性通過(guò)的隔膜14形成在燃料電池裝置11的上游，通向燃料電池裝置11的供氣在隔膜14的一側(cè)流動(dòng)，而防凍劑在另一側(cè)流動(dòng)。該防凍劑用于提供加濕供氣的水。
循環(huán)冷凍劑的泵16、通過(guò)在外部空氣和防凍劑之間進(jìn)行熱交換而冷卻防凍劑的散熱器17配置在防凍劑通道15內(nèi)。散熱器17通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇17f的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)散熱器17的散熱量?；厥胀?8裝在防凍劑通道15內(nèi)，從燃料電池裝置11的陰極出來(lái)的排氣通道13b通向回收桶18。
在防凍劑通道15的燃料電池裝置的出口和隔膜14之間配置溫度控制裝置39，例如加熱器。測(cè)量流向隔膜14的防凍劑溫度和流向隔膜14的供氣溫度的溫度傳感器41和42裝在隔膜14接觸防凍劑和供氣的位置。溫度傳感器41、42以及溫度控制裝置39、泵16和散熱器17均電連接于控制器40。該控制器40包括一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)微處理器、存儲(chǔ)器以及輸入和輸出界面，并執(zhí)行下面說(shuō)明的加濕控制。
圖4是程序圖，示出由控制器40執(zhí)行的供氣加濕控制的細(xì)節(jié)。這種控制以預(yù)定的時(shí)間間隔進(jìn)行控制(例如10ms)。
在加濕控制中，首先用溫度傳感器41測(cè)量與隔膜14接觸的流向燃料電池裝置11的供氣溫度Tgs(程序步S1)，并計(jì)算供氣的飽和蒸汽量Wsv(程序步S2)。
隨后，計(jì)算防凍劑所需要的溫度(防凍劑目標(biāo)溫度)tTaf，以便通過(guò)隔膜14輸送對(duì)應(yīng)于該飽和蒸汽量Wsv的水量(程序步S3)。在用溫度傳感器42測(cè)量防凍劑的溫度Taf溫度時(shí)，調(diào)節(jié)裝在防凍劑通道15中的溫度控制器39的加熱量、泵16的流量以及散熱器17的散熱性能，使得防凍劑的溫度Taf是防凍劑的目標(biāo)溫度tTaf(程序步S4)。
因?yàn)檫@樣，與前面實(shí)施例相比，可以根據(jù)燃料電池裝置11的操作狀態(tài)精細(xì)地控制加濕程度，并可以充分地對(duì)供氣進(jìn)行加濕。
在圖3中，雖然流向燃料電池裝置11的供氣是在燃料電池裝置11的緊前面被加濕，但是隔膜14可以形成在燃料電池裝置11的內(nèi)部，因此可以在燃料電池裝置11的內(nèi)部加濕流到燃料電池11的氣體，如圖5所示。
下面說(shuō)明第三實(shí)施例。
在第三實(shí)施例中，如前面的實(shí)施例一樣，供氣由利用隔膜14從防凍劑分離出的純水加濕，在排氣中的水份和熱量可利用回收桶18中的防凍劑回收，而且可以根據(jù)供氣的溫度、與隔膜14接觸的防凍劑的溫度、泵16的循環(huán)量和散熱器17的散熱性能調(diào)節(jié)在防凍劑通道15中溫度控制器39的加熱量，由此控制防凍劑的溫度。
圖6是第三實(shí)施例的示意圖。
燃料電池裝置11具有供氣通道12a、12b和排氣通道13a、13b?？蛇x擇性使防凍劑中的純水通過(guò)的隔膜14形成在燃料電池裝置11的上游。流向燃料電池裝置11的供氣在隔膜14的一側(cè)流動(dòng)，而防凍劑在另一側(cè)流動(dòng)，該防凍劑用于提供加濕供氣的水。
使防凍劑循環(huán)的泵16和在外面空氣和冷凍劑之間進(jìn)行熱交換而冷卻防凍劑的散熱器17配置在防凍劑通道15內(nèi)。該散熱器17可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇17f的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)放熱量。該回收桶18配置在防凍劑通道15內(nèi)，從燃料電池裝置11陰極出來(lái)的排氣通道通向回收桶18。
在防凍劑通道15的燃料電池裝置出口和隔膜14之間安裝溫度控制裝置39，例如加熱器，測(cè)量流向隔膜14的防凍劑溫度和流向隔膜14的供氣溫度的溫度傳感器41、42裝在防凍劑和供氣與隔膜14接觸的位置。該溫度傳感器41、42、溫度控制裝置39、泵16和散熱器17電連接于控制器40。
在防凍劑通道15的燃料電池裝置11出口和溫度控制裝置39之間配置流量調(diào)節(jié)裝置63，例如恒溫器。繞過(guò)溫度控制裝置39和隔膜14的旁通通道64從流量調(diào)節(jié)裝置63分出。該旁通通道64在泵16之前連接于防凍劑通道15。
由于上述結(jié)構(gòu)，即使溫度控制裝置39需用防凍劑進(jìn)一步保溫，也只要將加濕供氣所需的很小量防凍劑輸送到隔膜14，而其余的防凍劑可以經(jīng)旁通通道64直接流到散熱器17而使其冷卻。
因此為加濕供氣用溫度控制裝置39向防凍劑輸送的熱量無(wú)疑很小，所以可以減輕溫度控制裝置39的負(fù)載。另外，還可以盡量減小必須用散熱器57冷卻的熱量，因此提高了燃料電池系統(tǒng)的熱效率。
在圖6中，雖然在燃料電池裝置11的緊前面加濕輸送到燃料電池裝置11的供氣，但是也可以在燃料電池裝置11的內(nèi)部形成隔膜14，因此，可以在燃料電池裝置11的內(nèi)部進(jìn)行加濕，如圖7所示。
下面說(shuō)明第四實(shí)施例。
在第四實(shí)施例中，和前面實(shí)施例一樣，供氣由利用隔膜14從防凍劑中分離出的水加濕，在排氣中的水和熱量可以利用在回收桶18中的防凍劑回收，可以根據(jù)與隔膜14接觸的供氣的溫度和防凍劑的溫度、泵16的循環(huán)量以及散熱器17的散熱性能調(diào)節(jié)在防凍劑通道15中溫度控制裝置39的加熱量，由此可以控制防凍劑的溫度。
圖8是第四實(shí)施例的示意圖。
燃料電池裝置11具有供氣通道12a、12b和排氣通道13a、13b。允許防凍劑中的純水選擇性透過(guò)的隔膜14形成在燃料電池裝置11的上游。流向燃料電池裝置11的供氣在隔膜14的一側(cè)流動(dòng)，而在另一側(cè)流動(dòng)防凍劑，該防凍劑用于提供加濕供氣的水。
該燃料電池系統(tǒng)具有用于加濕供氣的防凍劑通道15和用于冷卻燃料電池裝置11的防凍劑通道75(第二防凍劑通道)。循環(huán)防凍劑的泵16、在外部空氣和防凍劑通道15內(nèi)的防凍劑之間進(jìn)行熱交換而冷卻防凍劑的散熱器17以及回收桶18均裝在防凍劑通道15內(nèi)。排氣通道13b連接于回收桶18，并將陰極的排放氣體引入其中。循環(huán)防凍劑的泵79和在外部空氣和第二防凍劑通道75中的防凍劑之間進(jìn)行熱交換，冷卻防凍劑的散熱器80均配置在第二防凍劑通道15上。散熱器17、80可以通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇17f的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)散熱性能。
溫度控制裝置39例如加熱器配置在防凍劑通道15的回收桶18和隔膜14之間。測(cè)量流向隔膜14防凍劑溫度和流向隔膜14的供氣溫度的溫度傳感器41、42形成在防凍劑與供氣接觸該隔膜14的位置。該溫度傳感器41、42、溫度控制裝置39、泵16和散熱器17均電連接于控制器40。
防凍劑通道15的防凍劑流向隔膜14。在隔膜14的與防凍劑通道相反的一側(cè)流過(guò)流向燃料電池組件11的供氣。利用控制器40可以控制流向隔膜14的防凍劑的溫度。控制防凍劑溫度的細(xì)節(jié)與圖4所示的細(xì)節(jié)完全一樣。
由于控制防凍劑的溫度，所以隔膜14可選擇性地允許純水從蒸汽分壓較高的防凍劑側(cè)滲透到蒸汽分壓較低的供氣側(cè)。并且可利用通過(guò)隔膜14從防凍劑中分離水加濕流向燃料電池裝置的供氣。
可利用散熱器冷卻流過(guò)隔膜14的防凍劑，該散熱器可以與外部空氣進(jìn)行熱交換，然后流到回收桶18，除引到防凍劑通道15的防凍劑而外，還將燃料電池裝置11陰極引出的排氣通道引到回收桶18。該排放氣體包含大量在發(fā)電期間由燃料電池裝置產(chǎn)生的作為副產(chǎn)品水。
當(dāng)用散熱器17冷卻防凍劑時(shí)，可以將防凍劑冷卻到低于流到回收桶18的排放氣體的露點(diǎn)溫度。因此，在回收桶18的內(nèi)部充滿防凍劑，該防凍劑的溫度低于排氣的露點(diǎn)溫度。由于將排氣通入到回收桶18的防凍劑中，所以產(chǎn)生排氣氣泡。產(chǎn)生的空氣泡的浮力將引起空氣上升作用，由于這種作用，包含在燃料電池裝置排氣中的水份和熱量均可由防凍劑回收。因此在隔膜上失去水的防凍劑回收了水，這樣可以達(dá)到燃料電池系統(tǒng)的水平衡，而不需要配置任何補(bǔ)充水的單獨(dú)裝置，例如純水水桶。
在此實(shí)施例中，用于冷卻燃料電池裝置11的防凍劑通道75和用于加濕供氣的防凍劑通道15是獨(dú)立的。因此，可以單獨(dú)控制循環(huán)流量和溫度，并且可以單獨(dú)控制燃料電池裝置的冷卻和加濕。
另外，還配置了熱交換器86，該熱交換器可以在防凍劑通道75上的燃料電池裝置的出口和防凍劑通道15上的回收桶18的出口之間進(jìn)行熱交換。在該熱交換器中，可以在冷卻燃料電池裝置11之后的在防凍劑通道75中的熱防凍劑和通向隔膜14以便加濕供氣的在防凍劑通道15中的防凍劑之間進(jìn)行熱交換。由于這種熱交換，流向隔膜14的防凍劑溫度增加，從而可以減輕溫度控制裝置39的加熱負(fù)載。另外，可以降低送到散熱器80的防凍劑溫度，降低散熱器17的熱負(fù)載。
在圖8中，雖然在燃料電池裝置11的緊前面加濕流入燃料電池裝置11的供氣，但是可以在燃料電池裝置11的內(nèi)部形成隔膜14，所以可以在燃料電池裝置11的內(nèi)部加濕該供氣，如圖9所示。
在上述1~4實(shí)施例中，雖然可以采用離子交換膜作選擇性允許防凍劑中的純水通過(guò)的隔膜14，但是可以用任何部件作隔膜，只要它具有完全相同的功能。
另外，雖然采用長(zhǎng)壽命的冷卻劑做防凍劑，但是可以用任何混合液體作防凍劑，只要它在很低的溫度下不冷凍，并可以用上述隔膜分離出純水，即只要它是一種具有分子大小的混合液體，使得它能夠利用上述隔膜而與純水分離。
日本專利申請(qǐng)P2001-368355(2001年12月3日歸檔)的整個(gè)內(nèi)容作為參考包含在本文中。
雖然已參考本發(fā)明的某些實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，技術(shù)人員通過(guò)上述說(shuō)明可以想出上述實(shí)施例的各種改型和變化。本發(fā)明的范圍由以下權(quán)利要求書確定。
應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域本發(fā)明適用于各種燃料電池系統(tǒng)，包括車載燃料電池系統(tǒng)。按照本發(fā)明，可以利用防凍劑中通過(guò)隔膜的水加濕流過(guò)燃料電池的用于發(fā)電的氣體，不需要用純水來(lái)作加濕水，在燃料電池系統(tǒng)中的液相僅是防凍劑，所以在系統(tǒng)中水不會(huì)結(jié)冰，即使在很低的冰點(diǎn)溫度以下(包括-50℃)，也可以加濕供氣，并啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池(11)；供氣通道(12a、12b)，該通道向燃料電池(11)提供用于發(fā)電的氣體；第一冷凍劑通道(15)，經(jīng)隔膜(14)鄰接供氣通道(12a、12b)，該隔膜可選擇性通過(guò)防凍劑中的純水，該隔膜(14)裝在燃料電池(11)的內(nèi)部或者燃料電池(11)的上游；其特征在于，利用在隔膜(14)上防凍劑的蒸汽分壓(steampartial pressure)和供氣的蒸汽分壓的差別，水可以從第一冷凍劑通道(15)傳送到供氣通道(12a、12b)內(nèi)，由此可以加濕在供氣通道(12a、12b)中的供氣。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在第一防凍劑通道(15)內(nèi)配置回收(recovery)裝置(18)，該回收裝置溫度可調(diào)節(jié)到低于從燃料電池(11)排出的排氣的露點(diǎn)溫度，而且排氣中的水和熱量可以利用穿過(guò)該回收裝置(18)的排氣回收到第一防凍劑通道(15)中。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，該回收裝置(18)中充滿溫度低于排氣露點(diǎn)溫度的防凍劑，排氣中的水和熱量可利用氣泡回收，回收的水和熱量加入到防凍劑中。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括溫度控制裝置(39)，該溫度控制裝置可以調(diào)節(jié)防凍劑的溫度，使得防凍劑的蒸汽分壓高于供氣的蒸汽分壓。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括檢測(cè)供氣溫度的傳感器(41)；控制器(40)，該控制器的作用是根據(jù)檢測(cè)的供氣溫度計(jì)算防凍劑的目標(biāo)溫度，并利用溫度控制器(39)調(diào)節(jié)防凍劑的溫度，使得防凍劑的溫度達(dá)到防凍劑目標(biāo)溫度。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括繞過(guò)第一防凍劑通道(15)中隔膜(14)的旁通通道(64)；流量調(diào)節(jié)裝置(63)，該調(diào)節(jié)裝置按照防凍劑溫度調(diào)節(jié)旁通通道(64)的流量。
7.如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于冷卻燃料電池(11)的第二防凍劑通道(75)，該通道獨(dú)立于第一冷凍劑通道(15)。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在第一防凍劑通道(15)的回收裝置(18)的下游還配置加熱器(86)，該加熱器可在第二冷凍劑通道(75)中的冷卻燃料電池(11)之后的冷凍劑和在第一冷凍劑通道(15)中的位于隔膜(14)上游的冷凍劑之間進(jìn)行熱交換。
全文摘要
配置燃料電池(11)，供氣通道(12a、12b)和防凍劑通道(15)，該供氣通道向燃料電池(11)輸送發(fā)電用的氣體，該防凍劑通道經(jīng)隔膜(14)鄰接供氣通道(12a、12b)，該隔膜(14)選擇性通過(guò)純水，裝在燃料電池(11)中或它的上游?？梢岳迷诟裟?14)上的防凍劑和供氣之間的蒸汽分壓差將水從防凍劑通道(15)輸送到供氣通道(12a、12b)，由此可以加濕供氣。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1535487SQ0280271
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2002年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者橋本隆志, 山本靜雄, 藤井勝幸, 下野園均, 均, 幸, 雄 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社