專利名稱：燃料電池冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)的閉合環(huán)路冷卻，具體地，涉及與從燃料電池組噴出的水有關(guān)的閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水的添加和去除。
背景技術(shù)：
水是燃料電池系統(tǒng)的操作所必需的，例如，在此說明的系統(tǒng)的形式為包括基于環(huán)繞質(zhì)子交換膜(PEM)的燃料電池組。從陽極流動路徑傳導通過PEM的質(zhì)子(氫離子)與陰極流動路徑中存在的氧的反應生成水。需要從燃料電池組中除去過量的水以避免溢流和隨后造成性能降低。然而，至少在陰極流動路徑中需要存在一定量的水以保持PEM的水合，以便獲得燃料電池的最佳性能。通過慎重的注入和去除操縱該水還可以提供用于從燃料電池組去除過量熱量的有用機構(gòu)。為了使性能最佳化，在這種燃料電池系統(tǒng)中通過典型地將水注入到電池組的陰極流動路徑中可以慎重地使用水。這種注水式燃料電池系統(tǒng)與采用單獨的冷卻通道的其它類型燃料電池系統(tǒng)相比具有減小尺寸和復雜性的潛在優(yōu)點。水可以通過水分配歧管直接注入到陰極流動路徑中，如例如GBM09763中所記載。對于注水系統(tǒng)，重要的是供給回到陰極流動路徑中的任何水都是高純度的，以便避免污染PEM和隨后出現(xiàn)的電池組性能的下降。對于用于冷卻和電池水合的水直接被添加到燃料電池膜的注水燃料電池系統(tǒng)，在正常操作期間沒有向系統(tǒng)添加額外的水。為了使這成為可能，從燃料電池的排出流回收液態(tài)水。燃料電池的陰極排出流主要為飽和空氣和液態(tài)水的組合，而陽極的排出流主要為飽和氫氣和液態(tài)水的組合。由燃料電池產(chǎn)生的水的大部分出現(xiàn)在陰極上，在陽極上產(chǎn)生小比例的水。如果將水注入到燃料電池的陰極上，則可回收的水的大部分因此也在陰極上。由于排出物的水分主要為水蒸汽形式，因此陰極排出流的液態(tài)水分通常不足以滿足燃料電池組的注水要求。因此，排出流的溫度優(yōu)選地(例如，使用熱交換器)被降低，以便降低露點并使蒸汽的至少一部分凝結(jié)成液態(tài)水。還可以使用一種將液態(tài)水從排出流中分離的方法(例如，氣旋式分離器)，以便確保排出流中獲得的液態(tài)水的大部分被捕獲。假定陽極排出流具有相對較低的流量，因為必需增加的系統(tǒng)復雜性超過由于例如通過使用額外的熱交換器降低露點而獲得額外的水的優(yōu)點，通常僅回收液態(tài)水分(例如，通過進油管路 ^^%^ ! (inline catch pot))。引入到注水燃料電池組中的水的導電率必須保持在避免腐蝕影響的足夠低的水平下。離開燃料電池組的液態(tài)水可以包含氟化物和/或腐蝕產(chǎn)物(例如，鐵等)，所述氟化物和/或腐蝕產(chǎn)物由于增加來自總?cè)芙夤腆w的離子而增加水的導電率。另外，水的導電率因為由于部件之間的電勢差發(fā)生的任何電化腐蝕而可能會增加。這可以通過仔細選擇材料和整個系統(tǒng)設(shè)計被最小化。注入到燃料電池組中的水的導電率的增加可能會污染電催化劑和隔膜，從而導致電阻增加和性能降低。因此，應該控制被引入到在閉合回路結(jié)構(gòu)中運轉(zhuǎn)的注水燃料電池組的水的導電率。一個解決方案是在燃料電池系統(tǒng)中包括離子交換柱以‘精制(polish) ’水。然而， 這由于系統(tǒng)封裝限制或維護頻率要求可能不切實際，這是因為在所述系統(tǒng)上需要對其它零件(例如，過濾器)以相似的間隔進行更換而典型地需要相對較大的單元。本發(fā)明的一個目的是解決一個或多個上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組和用于將冷卻水直接注入電池組中的閉合環(huán)路水冷卻回路，所述方法包括以下步驟在一定時間段上測量燃料電池系統(tǒng)的操作參數(shù)；在燃料電池組的操作期間在所述時間段上，從通過燃料電池組產(chǎn)生的水的總量中將一定量的液態(tài)水添加到閉合環(huán)路冷卻回路；和從閉合環(huán)路冷卻回路中除去所述量的液態(tài)水，其中，為燃料電池組的操作期間在所述時間段上產(chǎn)生的水的總量的一定比例的液態(tài)水的所述量作為操作參數(shù)的函數(shù)由燃料電池系統(tǒng)自動確定。通過從燃料電池組中除去為操作期間產(chǎn)生的水的總量的一定比例的所述量的水， 所述量作為電池組的操作參數(shù)的函數(shù)，燃料電池系統(tǒng)中的冷卻水根據(jù)燃料電池如何操作可以保持在期望的純度水平。操作參數(shù)可選地為在所述時間段上從燃料電池組中獲得的電流。從閉合環(huán)路冷卻回路中除去的水的總量的比例可以與所述時間段上獲得的電流成比例。除去和添加的水量依賴于燃料電池操作的繁重程度，即，供應多少電流，所述電流與使用的燃料量成直接關(guān)系。操作參數(shù)可以可選地為導電率、pH或閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水中的總?cè)芙夤腆w量。從閉合環(huán)路冷卻回路中除去的水的總量的所述比例可以為預定設(shè)定點與操作參數(shù)之間的差值的函數(shù)。這些參數(shù)可以用作額外的檢查以確保冷卻水的質(zhì)量保持在期望水平內(nèi)。可以通過控制與燃料電池組的陰極排出管線流體連通的熱交換器的出口溫度，例如通過將從閉合環(huán)路冷卻回路中除去的水引導到熱交換器的外表面上來確定水量。通過選擇性地引導從電池組排出到熱交換器上的一定比例的水(所述水可以為蒸汽形式)，僅在需要更多的冷卻劑時需要額外的冷卻以將水蒸汽轉(zhuǎn)換成為液態(tài)水，而當這不需要連同許多熱量一起的過量水時，所述水可以作為蒸汽排出?？梢酝ㄟ^控制與閉合環(huán)路冷卻回路流體連通的泵操作來確定從閉合環(huán)路冷卻回路中除去的水量。泵可以以與要從冷卻回路中除去的水量成比例的占空比間歇地操作。通過使泵僅在需要時操作可以降低燃料電池上的寄生負載?？梢愿鶕?jù)以下關(guān)系計算要除去的水量
權(quán)利要求
1.一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組和用于直接將冷卻水注入到所述電池組中的閉合環(huán)路水冷卻回路，所述方法包括以下步驟在一定時間段上測量所述燃料電池系統(tǒng)的操作參數(shù)；在所述燃料電池組的操作期間在所述時間段上，從由所述燃料電池組生成的水的總量將一定量的液態(tài)水添加到所述閉合環(huán)路冷卻回路；和從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去所述一定量的液態(tài)水，其中，作為所述燃料電池組的操作期間在所述時間段上生成的水的總量的一定比例的所述一定量的液態(tài)水通過所述燃料電池系統(tǒng)被自動確定為所述操作參數(shù)的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述操作參數(shù)為在所述時間段上從所述燃料電池組中獲得的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去的水的總量的所述比例與在所述時間段上獲得的電流成比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述操作參數(shù)為所述閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水的導電率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述操作參數(shù)為所述閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水的PH值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述操作參數(shù)為所述閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水中的總?cè)芙夤腆w量。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項所述的方法，其中，從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去的水的總量的所述比例為預定設(shè)定值與所述操作參數(shù)之間的差值的函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，水量通過控制與所述燃料電池組的陰極排出管線流體連通的熱交換器的出口溫度來確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述熱交換器的出口溫度通過將從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去的水引導到所述熱交換器的外表面上來控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去的水量通過控制與所述閉合環(huán)路冷卻回路流體連通的泵的操作來確定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述泵以與將從所述冷卻回路中除去的水量成比例的占空比間歇地操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，根據(jù)以下關(guān)系計算水量 其中，W^為將從所述冷卻回路除去的水量，I為從具有η個電池的所述燃料電池組中獲得的電流，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，β為預定常數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，β大約為0.1。
14.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池組、用于將冷卻水直接注入到所述燃料電池組中的閉合環(huán)路水冷卻回路以及計算機控制器，所述計算機控制器被構(gòu)造成自動地進行以下操作在一定時間段上測量所述燃料電池系統(tǒng)的操作參數(shù)；將在所述燃料電池組的操作期間在所述時間段上生成的水的總量中的一定量的液態(tài)水添加到所述閉合環(huán)路冷卻回路；和從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去所述一定量的液態(tài)水，其中，所述控制器被構(gòu)造成除去作為所述燃料電池組的操作期間在所述時間段上生成的水的總量的一定比例的所述一定量的液態(tài)水，所述一定量的液態(tài)水為所述操作參數(shù)的函數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作參數(shù)為在所述時間段上從所述燃料電池組中獲得的電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，生成的水的總量的所述比例與在所述時間段上獲得的電流成比例。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作參數(shù)為所述閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水的導電率。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作參數(shù)為所述閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水的PH值。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述操作參數(shù)為所述閉合環(huán)路冷卻回路內(nèi)的水中的總?cè)芙夤腆w量。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，噴出的水的總量的比例為預定設(shè)定值與所述操作參數(shù)之間的差值的函數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成自動控制與所述燃料電池組的陰極排出管線流體連通的熱交換器的出口溫度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成將來自所述閉合環(huán)路冷卻回路的水噴射到所述熱交換器上。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成通過控制與所述閉合環(huán)路冷卻回路流體連通的泵的操作來控制從所述閉合環(huán)路冷卻回路除去的水量。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成使所述泵以與將從所述冷卻回路中除去的水量成比例的占空比間歇地操作。
25.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成根據(jù)以下關(guān)系自動計算水量
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，β大約為0.1。
27.一種參照附圖
操作基本上如在此所述的燃料電池系統(tǒng)的方法。
28.一種參照附圖基本上如在此所述的燃料電池系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種操作燃料電池系統(tǒng)(100)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組(110)和用于將冷卻水直接注入電池組(110)的閉合環(huán)路水冷卻回路，所述方法包括以下步驟在一定時間段上測量燃料電池系統(tǒng)(100)的操作參數(shù)；將在燃料電池組(110)的操作期間在所述時間段上產(chǎn)生的水的總量中的一定量的水添加到閉合環(huán)路冷卻回路；和從閉合環(huán)路冷卻回路中除去所述量的水，在燃料電池組(110)的操作期間在所述時間段上產(chǎn)生的水的所述量作為操作參數(shù)的函數(shù)由燃料電池系統(tǒng)(100)自動確定。
文檔編號H01M8/04GK102203999SQ200980143530
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者彼得·戴維·胡德 申請人:智慧能量有限公司