專利名稱：防止燃料電池動力設備中的水在貯存過程中結冰的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池，特別涉及適于或希望在運輸車輛中使用或作為便攜式或固定動力設備的燃料電池動力設備。更具體而言，本發明涉及在閑置和貯存過程中防止在燃料電池動力設備，且特別是質子交換膜(PEM)型燃料電池動力設備中的水結冰的方法和設備。
背景技術：
燃料電池動力設備通常被用于從氧化和還原流體，例如分別為氧或空氣，和氫中產生電能。該電能可被用于在多種環境中包括在航天器、陸上車輛和/或在多種其它固定的和移動的應用中為電氣設備提供動力。在這些動力設備中，通常將數個平面燃料電池布置成一疊堆，該燃料電池堆接收和/或提供還原性反應物流例如氫，氧化性反應物例如氧或空氣，冷卻劑和產物流體。每一單個電池通常包括一個接收氫反應物的陽極，一個接收氧化劑反應物的陰極，和在陽極和陰極之間的電解質例如質子交換膜(PEM)。每一個電池通常還包括用于引入、流經和/或去除冷卻劑和產物流體如水的相關結構。
盡管具有重要優勢，但是燃料電池，特別是質子交換膜(PEM)型燃料電池還具有與液體水在電池中進行傳輸、流經和流出電池相關的限制。在寒冷條件下使用這些燃料電池為運輸車輛或其它設備提供動力引起一些與水管理方面相關的額外關注，例如防止由產物水和/或任何冷卻水流體結冰而引發機械損傷，并使在產物水和/或任何冷卻水流體結冰情況下重新啟動延遲的不便最小化。在使用燃料電池動力設備驅動車輛的應用中，一般要求在環境溫度低至-40℃即低于冰點溫度的條件下，在10秒鐘內能夠啟動并開走車輛，且極冷至-50℃時不會產生永久性損傷。若在貯存過程中形成冰則不能滿足該啟動條件，必須在僅使用內部動力引導啟動之前使這些冰解凍。
2001年8月22日提交的美國專利申請No.09/935,254“耐凍結動力裝置”中描述了一種提供耐凍結燃料電池動力裝置的方法，其中該專利申請被轉讓給了本申請的受讓人。在該專利申請中，一種具有耐凍結蓄水池的排水系統在停機時被用于去除冷卻通道中的水，其中該耐凍結蓄水池含有與水不互溶的流體和冷卻水。通過補充加熱與水不互溶的流體而為防止在短時停機時冷卻水發生凍結而預先采取一些措施。然而，對于較長時間停機即在冰點以下天氣中“貯存”多天，系統蓄水池部分中的水分發生凍結且需要過多的時間和能量進行熔化以實現啟動。
2001年7月5日公布的申請號為WO 01/48846A1的PCT國際申請PCT/CA00/01500題為“增加燃料電池堆溫度的方法和設備”中描述了一種在寒冷的環境溫度條件下至少在工作、簡單停機和重新啟動期間保持電池堆組件適當的工作溫度的方法。該申請描述了在冷卻劑流動通道或在反應物流動通道內的燃燒燃料反應物和氧化劑反應物在工作、簡單停機和/或重新啟動期間將燃料電池堆組件加熱到所需溫度。在一些環境中，包括電池堆部件的保溫方法可以是合乎需要的，但是通常需要更復雜，因此更高成本的控制設計。需要更加嚴格的要求以防止電池堆部件經受能夠造成不可修復的損傷的極端溫度或其它極端條件。由于其復雜性，這些方法還將需要更多能量且因此要求更多燃料消耗，由此使可利用的貯存保護時間受到限制。
即使可從儲存的燃料反應物例如H2中得到熔化強冷凍而形成的冰所需的能量，但是在10秒鐘內能夠產生的熔化結冰所需正功率超過了動力設備自身的額定功率。若燃料反應物通過燃燒被直接用于加熱，那么這種快速熔化所需的熱可損壞該系統，并將嚴重耗盡燃料供給。
因此，本發明的一個目的在于提供一種即使在非常寒冷的條件下停機貯存相對較長時間間隔后能使燃料電池動力設備快速產生功率的裝置。
本發明的另一個目的在于使用燃料電池燃料源提供前述性能。
本發明的又一個目的在于以燃料-高效的方式提供前述性能。
發明內容
本發明提供一種用于燃料電池動力設備的保溫系統。該燃料電池動力設備可包括一個具有(多個)陽極、(多個)陰極、(多層)質子交換膜和一般是水輸送板的冷卻器的質子交換膜(PEM)型燃料電池堆組件(CSA)。然而，該保溫系統可用于任何種類的燃料電池動力設備，該燃料電池動力設備包含部件和/或在-50℃的溫度條件下易于發生凍結的流體。該動力設備還包括用于將富氫燃料例如氫至少供給至陽極的裝置，例如氫儲罐，和用于供給陰極氧化劑反應物，例如空氣的源裝置。該動力設備包括水管理系統。根據本發明的保溫系統，還提供一個或多個用于動力設備的熱絕緣罩，其中包括燃料電池堆組件(CSA)，水管理系統以及將熱量對流供給其中的絕緣罩和動力設備部件的催化燃燒器。該被儲存的氫有選擇地被用于給催化燃燒器加燃料。氫被供給至催化燃燒器，在此與空氣供給混合并接觸燃燒器的催化表面以在中等溫度條件下，通常在200°-700(93℃-371℃)的范圍內實現放熱的無焰氧化反應。該熱量含在燃燒氣體中，并通過對流被帶入或通過絕緣罩，以進行熱量交換且加熱含在其中的動力設備的對凍結敏感的部件。該對流熱量是主要的保溫加熱源。
流向催化燃燒器的氫燃料和空氣流速不需要很大，且可通過有選擇地從儲存裝置中供給預先加壓的氫和結合引入由受熱氣體對流流動而產生的外部環境空氣很容易地進行設置。通過調節流速和/或作為在需要防止發生凍結的對凍結敏感的部件處或附近通常感應到的溫度的函數的流量間隔，而對流到燃燒器的氫流量和由此的至少部分生成的熱量進行調節。該溫度閾值或控制溫度一般為約5℃(40-45)。
燃料電池堆組件(CSA)和水管理系統可位于公共的熱絕緣罩內，且可被布置以用于最優化利用含在以熱交換方式通過或穿過的對流傳輸氣體中的熱量。另一種選擇是，可以存在多個絕緣罩，每一絕緣罩含有動力設備的不同部分，和適當的受熱氣體在其間進行流動的連通通道。若需要，還可包括用于受熱氣體的各種熱交換器。設置適當的冷卻廢氣排氣裝置和從該冷卻中冷凝用的排水設備。
加壓氫氣、吸入空氣、催化燃燒器、對流熱流和絕緣罩的前述裝置向動力設備提供了足夠的熱量，以使其在長時間“貯存”期間不會發生凍結。在僅使用儲存氫且基本沒有驅動附加負載例如泵和/或鼓風機的電力的情況下，根據外部溫度和可用的氫供給，貯存期可為7天或更長。雖然所述動力設備為氫燃料的裝置，但是該保溫方式還可使用其它種類的氣體或輕質液體燃料，例如汽油。在使用汽油的情況下，該燃燒器系統需要加入燃料蒸發器，以在氣體到達催化燃燒器之前將該氣體蒸發。
以下，結合附圖對本發明的典型實施例進行詳細描述以更清楚地理解本發明的前述特征和優點。
圖1是一個根據本發明構造的用于燃料電池動力設備的保溫系統的示意圖；以及圖2在多個冰點以下溫度條件下要求保持燃料電池堆組件在不同時間間隔條件下不發生凍結的典型氫燃料箱的分數的曲線圖。
具體實施例方式
詳細參照附圖，圖1示出了大體上根據本發明所述的耐凍結動力設備10。圖1中的該動力設備10在許多方面都與前述美國專利申請No.09/935,254所描述的動力設備相似，一些附加細節可作參考。然而，本發明發現應該考慮在以下所述應用之外的在其它燃料電池動力裝置中的應用，這樣更加易于理解。動力設備10包括燃料電池堆組件(CSA)12，其包括如現有技術中所公知的從還原性反應物(或燃料)和氧化性反應物(或氧化劑)產生電流的一個(為簡單起見如此所述)或典型地多個燃料電池。CSA 12中的每一個燃料電池包括電解質14例如質子交換膜(PEM)，相鄰設置在電解質14對側的陽極16和陰極18。冷卻器20，可以是質子交換膜(PEM)型燃料電池中的水輸送板(WTP)，其與陰極18相鄰。
氧化劑供給裝置22(圖1中標注“空氣”處)將氧化性反應物例如空氣經鼓風機23引至并通過陰極18，并經排氣裝置24排出燃料電池堆組件(CSA)12。還原劑或燃料供給裝置25(圖1中標注“H2”處)將還原性反應物例如氫氣引至并通過陽極16，并經排氣裝置26排出燃料電池堆組件(CSA)12。燃料供給裝置25(以下稱為“氫供給裝置25”)實際上可以是來自氣源例如丙烷、丁烷、天然氣等的富氫氣體供給，其通常被稱作“氫”。該氫供給裝置25最好為一個在壓力下儲氫的容器(箱)。如先前所述，這一燃料供給還可含有汽油或其它易汽化的液體燃料。除氫以外的燃料源通常要求燃料處理器將燃料轉化成富氫氣流。
冷卻器20是冷卻劑主回路28的一部分，冷卻劑主回路依次又是動力設備10的冷卻劑/水管理系統30的一部分。冷卻劑主回路28還包括位于冷卻器20的冷卻劑排出口32和冷卻劑供給通道33之間的冷卻劑循環器例如泵31，經該冷卻劑供給通道33泵入冷卻水，經冷卻劑供給通道33，經將冷卻劑中夾雜的任何反應氣體排出動力設備10的氣體分離器34，并經過冷卻劑供給通道33的第一延長部35進入冷卻劑換熱器36。然后，冷卻水經過冷卻劑供給通道33的第二延長部38，冷卻劑供給通道33的第三延長部40，最后流回冷卻器20。
冷卻劑換熱器36可以是液/液型冷卻劑換熱器，同時它也構成了冷卻劑二級回路41的一部分，該二級回路包括循環泵42和冷卻劑二級散熱器與風扇43。該冷卻劑二級回路41可含有傳統的防凍溶液，例如乙二醇或其他和水。
在燃料電池堆組件12中，包括在冷卻器20中會殘留少量水，必須注意將氣體分離器34中的水和冷卻水保持在凍結溫度之上，至少用于短期貯存如過夜。通過將一個或多個溫度傳感器62布置在動力設備10中的一些對冷敏感的關鍵地方并將其與控制器63相連接，感知環境溫度狀況，且如傳感器62和控制器63所控制和確定的，在必要和合適時提供如下所述的必要熱量，至少可部分實現這一點。
根據本發明設有一個絕緣罩64，該絕緣罩64裝入、含有和/或另外熱絕緣和隔離動力設備10或至少動力設備10的重要和關鍵部分，且與絕緣罩64相連的催化燃燒器66對流提供有效的補充熱源。這種絕緣罩64和催化燃燒器66的組合被用于至少向動力設備10的溫度關鍵部分對流提供熱量，即便在外部環境溫度低于-40℃的條件下長期貯存后，例如7天或更長時間，也足以保持動力設備能夠在10秒鐘內啟動。該催化燃燒器66被對流供給富氫燃料，例如來自燃料電池動力設備10的H2源25的氫氣，和氧化劑，例如空氣源22，最好是不需要使用需要動力的“附加”泵或鼓風機進行輸送的環境空氣或預加壓空氣。該絕緣罩64可由多種合適的熱絕緣材料形成，這些熱絕緣材料提供足夠的熱絕緣性質且易于成形和裝配以容納動力設備10的相關部分。考慮到所占空間和重量，因此優選使用單位厚度具有較高“R”值的材料。
在圖1的實施例中，動力設備10的燃料電池堆組件12和包括氣體分離器34的冷卻劑/水管理系統30全部被容納在一個公共的絕緣罩64內。被供給來自H2源25的氫氣和來自氧化劑源的空氣的催化燃燒器66被安置與絕緣罩64內部直接對流連通，優選朝向絕緣罩的下端部或下部區域，用于以對流方式向絕緣罩64內部供給熱量。雖然催化燃燒器可位于外部并通過較小的引入管或蓋在絕緣罩64的下部實現連通，但是在本實例中，所示催化燃燒器66位于絕緣罩64之內。這一催化燃燒器66和氫源25及氧化劑源22不需要附加動力，如泵和/或鼓風機。這樣，充足的熱量從現有燃料源被動有效地供給至動力設備10中對凍結敏感的元件，以確保那些元件在低凍結外部條件，如冷至-40℃的條件下持續貯存例如7天或更長時間后也不會發生凍結。排氣孔68位于絕緣罩64的上部區域，以在排放燃燒氣體的一些熱能至動力設備10所含元件之后，排出經燃燒器66燃燒的氣體以促進對流流動。相似地，一定程度上，這種燃燒氣體熱能的排放造成氣體冷凝成液態，例如水，通過引流池70將這種液體從絕緣罩64上除去。該排氣孔或引流池68，70等優選包括閥門、蓋或帽，當燃燒器66不工作時，在較冷外部條件下將它們關閉。
更詳細地參看該催化燃燒器66，設置催化劑表面72，在催化劑表面之上產生氫的流動或產生的氫的流動穿過催化劑表面。該催化劑表面72可為其上可裝載適當的催化劑例如鉑或其它適合的貴金屬的篩網、泡沫材料或相似支承結構。在有催化劑表面72和空氣的情況下，氫進行與燃燒相類似的反應，通常無焰并產生熱量。該熱量在溫度低于1000(537℃)，一般在200°-700(93℃-371℃)范圍下被排放，而在本申請中最好在更高的溫度條件下另外被擴散燃燒器排放。后者更高的溫度對燃料電池動力設備10中的元件具有破壞性，且需要進行效率很低的預先冷卻。
來自供給裝置25的氫通常在貯存時預先加壓，然后如溫度傳感器62和控制器63的程序所確定的，或是連續地，或是間歇地被排放至燃燒器66，控制器63依次又通過控制線69控制氫供給裝置控制閥67。感應到的溫度低于約40°-45(4.4℃-7.2℃)這一范圍時一般被用于激活補充熱量的指令。在此溫度閾值為5℃。控制器63和控制閥67的應用可為該系統中僅有的電力負載，大多數情況下最低限度地和/或間歇地進行使用。相似的，氧化劑供給裝置22會或可以借助催化劑表面72處氫的燃燒熱從外部環境空氣中被對流吸入。這樣，不需要其它的附加泵或鼓風機的進一步協助就可以將空氣吸入反應區中。最好可將空氣和氫混合接觸催化劑表面72。然后，催化燃燒器66燃燒產生的受熱氣體對流向上被吸入絕緣罩64相對較冷的內部，以對燃料電池動力設備10中的凍結關鍵元件提供所需加熱。對燃燒器66的空氣供給裝置22通常足夠支持對流流動。然而若有需要，可進一步引入補充空氣。
前述實施例旨在將燃料電池堆組件12的溫度保持在凍結溫度之上，如在環境溫度低至-40℃的條件下最低溫度保持在約5℃，且使得在10秒鐘之內開機啟動和產生驅動功率。該實施例不依賴管網電力和附加電力負載，例如泵和鼓風機，它們在持續貯存期間則另外需要進行“保溫”操作。這樣就防止消耗標準12V(120V-hr)汽車用電池，該種電池一般為小容量儲能裝置(例如1.44kw-hr)，不足以在貯存期間用于進行有效電加熱或在任何重要時期用于驅動附加載荷。
圖2是基于模型推測的，在多個冰點以下溫度和不同的絕緣罩厚度條件下要求保持燃料電池堆組件在不同時間間隔條件下不發生凍結的典型氫燃料箱的分數的曲線圖。在典型燃料貯存箱中的氫在當充滿時，重約1.6公斤(Kg)或3.5磅(1bs)，且符合從UTC Fuel Cells，LLC of South Windsor，CT購買到的75kw質子交換膜(PEM)型燃料電池的使用要求。該曲線圖繪出了提供保持CSA最低為5℃的能量水平(熱當量)所需的H2所占分數。很明顯，120安培-小時電池能量容量有限。另一方面，對于環境熱狀態為-10℃--40℃，對于絕緣罩厚度為1-5英寸(2.5厘米-12.7厘米)，對于貯存時間間隔為1-7天來說，保持CSA最低為5℃的所需H2的量的范圍是從中等冷、厚絕緣罩和1天貯存期條件下的遠小于滿箱的1/16(如滿箱的1/100～1/50)，至極冷、薄絕緣罩和7天貯存期的嚴苛條件下的滿箱的1/4。
在實例中，選擇空氣流和氫氣流的參數，使得當進入的環境空氣溫度為-40(-40℃)時，在燃燒器66出口的氣體溫度為250(121℃)。該空氣流量為10pph，且氫氣流量為0.014pph。從如圖1所示的圍繞該燃料電池堆組件的絕緣罩中排出的氣體溫度約為50(10℃)。另一方面，空氣和燃料流速相同時，但當進入的空氣溫度約為30(-1.1℃)時，在燃燒器出口處的溫度為320(160℃)。若H2完全燃燒，氫氣流量0.014pph相當于約200瓦。明顯地，隨外部溫度變化，能夠/會調節流向催化燃燒器66的H2流量，且這種調節可以是調節連續流的流速或恒定流速的間歇流，或上述二者的組合。實際上，即便在以上給定的實例中，也可以不需要以提到的流速下的H2氣連續流保持燃料電池堆組件處于或高于5℃，甚至在-40(-40℃)的條件下。
由此可以認識到本發明使用的清潔燃燒、高能量、裝載有氫的對流式催化燃燒器裝置提供了一種保持燃料電池動力設備在較長時間內易于操作，且幾乎很少或不要求給附加電力負載提供動力的高效且有效的方式。
盡管已對本發明的典型實施例進行了描述和說明，本領域的普通技術人員應理解在不偏離本發明的精神和范圍的情況下可對前述實施例以及各種其它變型進行任何省略和添加。根據動力設備中的元件對受熱氣體的敏感度，可通過氣體/空氣換熱器等進行熱量交換。根據對動力設備和/或絕緣罩的物理結構的限制，可以存在多個絕緣罩，其中每一個都包含動力設備中對凍結敏感的部分。在用單個燃燒器提供受熱氣體對流流動的情況下，在絕緣罩之間設置氣體通道。
權利要求
1.一種用于燃料電池動力設備(10)的保溫系統，包括a.一個具有陽極(16)、陰極(18)、電解質(14)和冷卻器(20)的燃料電池堆組件(CSA)；b.用于提供燃料供給，即至少一些作為反應物供給至陽極(16)的燃料的燃料供給裝置(25)；c.可操作地供給至陰極(18)的氧化劑反應物源(22)；d.可操作地連接至燃料電池堆組件(12)的冷卻器(20)上的水管理系統(30，28)；e.罩住用于提供其熱絕緣的燃料電池堆組件(12)和水管理系統(30，28)中的至少一個的熱絕緣裝置(64)；和f.可操作地與燃料供給裝置(25)和用于與使燃料和氧化劑發生催化反應并提供熱源的氧化劑反應物源(22)相連接的催化燃料燃燒器裝置(66)，該燃燒器裝置(66)被設置且用于向熱絕緣罩裝置(64)和在熱絕緣裝置(64)中的燃料電池堆組件(12)和水管理系統(30，28)中的至少一個供給受熱氣體。
2.根據權利要求1所述的保溫系統，其中該燃燒器裝置(66)包括用于在有氧化劑存在的條件下以無焰的方式進行燃料的燃燒反應，以僅在低于1000的加熱范圍內釋放熱量的催化表面(72)。
3.根據權利要求2所述的保溫系統，其中燃燒器裝置(66)進行催化燃燒時所釋放出的熱量的加熱范圍在200-700之間。
4.根據權利要求2所述的保溫系統，其中該氧化劑反應物源(22)為環境空氣，該空氣被供給至催化燃燒器裝置(66)并與來自燃料供給裝置(25)的燃料進行混合，用于在存在催化表面(72)的情況下與混合物進行燃燒反應以釋放熱量。
5.根據權利要求1所述的保溫系統，其中該燃料供給裝置(25)包括在壓力下儲氫的容器。
6.根據權利要求1所述的保溫系統，其中燃料電池堆組件(12)和水管理系統(28，30)二者基本上被熱絕緣裝置(64)罩住。
7.根據權利要求4所述的保溫系統，其中燃料電池堆組件(12)的電解質(14)是質子交換膜(PEM)，來自燃料供給裝置(25)的燃料是氫，且催化燃燒器裝置(66)的加熱范圍在200-700之間。
8.在具有包括陽極(16)、陰極(18)、電解質(14)和冷卻器(20)的燃料電池堆組件(CSA)(12)、用于至少為陽極(16)提供燃料的燃料供給裝置(25)、至少供給至陰極(18)的氧化劑反應物源(22)、可操作地連接至燃料電池堆組件(12)的冷卻器(20)上的水管理系統(30，28)的燃料電池動力設備(10)中，防止水在停機時燃料電池動力設備(10)中對凍結敏感的部分發生凍結的方法包括以下步驟a.在停機時有選擇地使燃料(25)和氧化劑(22)流動(62，63，69，67)至催化燃燒器裝置(66)，用于進行催化燃燒以提供受熱氣體；b.使受熱氣體對流流動至與燃料電池動力設備(10)中對凍結敏感的部分相關聯的熱傳遞裝置，以向那里提供熱量；以及c.熱絕緣燃料電池動力設備(10)中對凍結敏感的部分，包括在與該動力設備相關聯的熱傳遞裝置內流動的受熱氣體。
全文摘要
一種用于燃料電池動力設備(10)，一般為質子交換膜(PEM)型燃料電池動力設備的保溫系統。該保溫系統防止動力設備中對凍結敏感的部分，例如燃料電池堆組件(CSA)(12)和水管理系統(28，30)在極冷的外部溫度條件下在7天或更長的持續貯存(CSA關閉)期間發生凍結。該系統使用預先貯存的加壓燃料，一般為氫(25)，通常被用作供給CSA陽極(16)的燃料，作為在催化燃燒器(66)中進行催化氧化反應的燃料。氫或其它適當的燃料與氧化劑例如空氣(22)進行催化反應，以生成受熱氣體，其對流通過與動力設備(10)的對凍結敏感的部分(12，28，30)相關聯的熱交換裝置。通常在200℉－700℉條件下，已反應的氫和空氣的熱量將受熱氣體分散至動力設備(10)的所需部分并形成導致空氣流向燃燒器(66)的對流流動。該對流流動消除了對附加電力負載例如泵和鼓風機的需求。一個或多個熱絕緣裝置(64)充分罩住對凍結敏感的燃料電池堆組件(12)和/或水管理系統(28，30)，以及來自催化燃燒器(66)的受熱氣體的對流流動，以提高系統的熱效率。
文檔編號H01M8/24GK1856896SQ03802157
公開日2006年11月1日 申請日期2003年1月7日 優先權日2002年1月11日
發明者R·J·阿薩拉波夫斯基, W·T·昂克爾特, L·A·貝奇, A·P·格拉索, B·C·奧爾索默 申請人:Utc燃料電池有限責任公司