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CN101971402A - 用于从燃料电池阳极排出非燃料材料的系统 - Google Patents

用于从燃料电池阳极排出非燃料材料的系统 Download PDF

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CN101971402A
CN101971402A CN2009801038003A CN200980103800A CN101971402A CN 101971402 A CN101971402 A CN 101971402A CN 2009801038003 A CN2009801038003 A CN 2009801038003A CN 200980103800 A CN200980103800 A CN 200980103800A CN 101971402 A CN101971402 A CN 101971402A
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T·法比安
T·J·费舍尔
D·布雷斯维特
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Ardica Technologies Inc
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Abstract

所提供的燃料电池气体排放系统包括诸如燃料电池堆或燃料电池阵列等的至少一个燃料电池、燃料供应源、和可调节的燃料电池电流负载。该系统还包括设置成排出燃料电池中所积聚的非燃料物质且根据阀两端的压力差工作的至少一个无源排气阀。阀可以是诸如圆顶阀的无源双向阀，或者是无源单向阀。还包括排气管理模块，其具有确定何时要增大氢燃料的压力以启动排气的排气请求模块，以及确定何时要调节氢燃料的压力以完成排气的排气完成模块。非燃料物质可包括非燃料气体或冷凝水。

Description

用于从燃料电池阳极排出非燃料材料的系统
技术领域
本发明一般涉及燃料电池。更具体地，本发明涉及一种用于使氢燃料电池排气并确定何时必需排气和何时完成排气的系统。
背景技术
由于通过燃料电池电解液的气体的有限扩散率，从大气提供氧气的燃料电池系统将空气中的非活性成分(主要为氮气和一些水蒸汽或冷凝水)积聚于燃料流中。由于燃料浓度的降低，惰性气体的积聚最终降低燃料电池的输出电压。因此，连续的运作要求燃料室的定期排气。另外，燃料电池系统通常采用当内压或真空达到不安全水平时允许气体排出的安全阀，从而防止装置遭到破坏和/或用户遭到危险。用于解决这些问题的两类方法包括有源和无源排气阀。在有源排气系统中，为了在必要时使燃料或者积聚的氮气能排出，在燃料气流路径的出口采用电控阀或机械控制阀。在更小的微型燃料电池系统中，当需要最小尺寸和重量时通常使用微型阀，诸如可从派克汉尼汾(ParkerHannefin)公司购买的X-阀。这些有源阀遭受包括高成本和高功耗的许多问题。另外，作为安全排气阀它们是不可靠的，因为它们需要适当的外部控制才能正常工作。无源排气阀系统允许在特定压力下释放气压或真空。积聚的非活性气体可通过将系统的操作压力增大至高于阀的排气压力，从而允许气体排出来排放。这些阀倾向于比有源阀便宜并且不需要外部控制，从而使之更加可靠。这些无源阀包括像从智能产品(SmartProduct)公司购买的提升阀和从阀耐(Vernay)公司购买的鸭嘴阀。然而，基于无源阀的排气系统需要对排气阀的压力上游良好控制，从而避免燃料流失以及过度排气。在例如诸多氢燃料电池系统中，根据需求诸如使用二元化学反应产生氢气。这些系统的响应时间通常以延迟时间和长时间常数为特征是由于化学氢反应系统的有限热质量和质量传递限制。这些限制使得频繁快速的压力变化不可能，因此基于无源排气阀的排气不可行。
另外，当前的排气方法不允许检测何时所有积聚的非燃料气体已从系统排出。为了补偿这种不定性，具有无源排气阀的系统或者需要排出多余的燃料从而产生安全危害和/或浪费燃料，或者冒不成功排气的风险，从而导致系统功率输出降低和/或性能不稳定。
因此，需要为燃料电池开发最小化系统复杂度、同时保持高燃料利用率的简单、低成本和有效的排气系统。
发明内容
本发明提供一种燃料电池排气系统。该排气系统包括至少一个燃料电池、燃料供应源和可调节的燃料电池电流负载。该排气系统还包括至少一个设置成排出燃料电池中积聚的非燃料物质的无源排气阀，其中该无源排气阀根据无源排气阀和排气管理模块上的压力差工作，其中排气管理模块包括排气请求模块和排气完成模块。排气请求模块确定何时要增大燃料的压力以启动排气，而排气完成模块确定何时要减小氢气燃料的压力以完成排气。
在本发明的一个方面中，燃料电池可包括氢燃料电池、丙烷燃料电池、丁烷燃料电池或甲烷燃料电池。
在本发明的另一方面中，至少一个燃料电池可以是单个燃料电池、燃料电池堆、燃料电池阵列或其任意组合。
在本发明的又一方面中，非燃料物质可包括非燃料气体或者冷凝水。
根据本发明的另一方面，当不排气时，可调节的燃料电池负载被调节为将无源排气阀的上游压力保持为低于无源排气阀的开启压力，而在排气期间，可调节的燃料电池负载被调节为将无源排气阀的上游压力增大至高于开启压力。
在另一个方面中，可调节的燃料电池负载包括附连至电池的电池充电电路，其中电池的充电电流可以调节。
在又一个方面中，无源排气阀可包括无源双向阀或无源单向阀。在此，双向阀可包括圆顶阀。
根据一个方面，无源排气阀的开启压力低至1PSI。
在本发明的再一个方面中，无源排气阀被置于其中燃料串联连接的至少两个燃料电池的远端，其中燃料源被置于此阵列的近端。
根据一个方面，通过感测何时任一燃料电池的电压降至低于预定阈值，排气请求模块确定何时需要排放非燃料物质。在此，通过感测何时离无源排气阀最近的燃料电池的电压降到低于预定阈值时，排气请求模块可确定何时需要排放非燃料物质。
在本发明的另一个方面中，通过感测何时排放气体主要是燃料气体，排气完成模块确定何时非燃料材料已从至少一个燃料电池中排出。
在本发明的又一个方面中，从无源排气阀排出的非燃料物质被引导通过燃料电池阵列中的一个燃料电池的阴极，其中通过感测何时该一个燃料电池的电压降至低于阈值，排气请求模块确定何时非燃料物质已被排出。
在再一个方面中，从无源排气阀排出的非燃料物质在大气存在的情况下被引导至催化剂床，其中通过感测何时催化剂床的温度超过阈值水平，排气完成模块确定何时非燃料物质已被排出。在此，催化剂可包括铂、钯、钌、氧化锰、氧化银和氧化钴。
根据另一个方面，排气完成模块通过使用定时器确定何时非燃料材料已被排出。在此，定时器的持续期间根据启动排气前燃料电池之一的电流负载确定。
在又一个方面中，从无源排气阀排出的非燃料物质被引导至辅助燃料电池的阳极，其中通过感测何时燃料电池的既可以是电压又可以是电流的输出超过阈值水平，排气完成模块确定何时非燃料物质已被排出。
附图简述
通过结合附图阅读以下具体描述将会理解本发明的目的和优点，其中：
图1示出根据本发明的基于定时器检测到已完成排气的燃料电池排气系统。
图2示出根据本发明的已完成排气检测的燃料电池排气系统。
图3示出根据本发明的将排出废气路由至系统中的一个或多个不同电池的多分立电池系统。
图4示出根据本发明的用于监控系统并利用来自排气电池的电压数据来确定何时排气已经有效地完成的软件算法的流程图。
图5示出根据本发明的将排出废气路由至辅助燃料电池的阳极的燃料电池排气系统。
图6示出根据本发明的在大气存在的情况下将排出废气路由至催化剂床的燃料电池排气系统。
发明的详细描述
虽然以下详细描述出于说明的目的包含诸多特定细节，但本领域的任何普通技术人员将容易地理解许多对于以下示例性细节的变化和改变是在本发明的范围之内的。因此，以下本发明的优选实施例在没有缺失一般性、没有对所要求保护的发明强加限制的情况下进行了陈述。
参考附图，图1示出根据本发明的一个实施例的基于定时器的燃料电池排气系统100。所示氢燃料电池102将空气源104用于对阴极(未示出)的氧气输入，以加湿空气的形式通过空气出口106排气，其中空气源可由例如风扇驱动。在此，示例性的氢燃料电池102被示出，但是在本说明书通篇中要理解氢燃料电池102可以是诸多种类的气体燃料电池中的任一种，例如丙烷燃料电池、丁烷燃料电池或甲烷燃料电池。还要理解，燃料电池可以是单个燃料电池、燃料电池堆、燃料电池阵列或其任意组合。本实施例是包括至少一个氢燃料电池102的氢燃料电池排气系统100。系统100还包括氢燃料供应源108和可调节的氢燃料电池电流负载116。排气系统100还包括设置为排出氢燃料电池102的燃料室中所积聚的非燃料物质110的至少一个无源排气阀112，其中无源排气阀112根据无源排气阀112两端的压力差工作。本文通篇中要理解非燃料物质110可包括非燃料气体或冷凝水。本文中还要理解无源排气阀112可以是无源双向阀，诸如圆顶阀或无源单向阀。还包括的是包括排气请求模块120和排气完成模块122的排气管理模块118。排气请求模块120确定何时要增大氢燃料的压力以启动排气，而排气完成模块122确定要何时减小氢燃料的压力以完成排气。在此，非燃料物质110可包括非燃料气体或冷凝水。根据本发明，存在用以确定排出气体主要包括燃料的许多方法。在本实施例中，排气完成模块122通过使用定时器124可确定何时非燃料材料110已被排出。在此，定时器124的持续期间根据启动排气前一个燃料电池的电流负载确定。排气前的电流负载指示进行排气前的氢气流速。基于氢气流速和已知的燃料电池阳极的体积，可确定排气的必要持续期间。
图2示出检测到已完成排气的氢燃料电池排气系统200。检测排气结束的燃料电池排气系统200包括至少一个氢燃料电池102、氢燃料供应源108和可调节的氢燃料电池的电流负载116。该系统200还包括设置成排出氢燃料电池102中所积聚的非燃料物质110的至少一个无源排气阀112。还包括包括排气请求模块120和排气完成模块122的排气管理模块118。排气请求模块120确定何时要增大氢燃料的压力以启动排气，而排气完成模块122确定何时要减小氢燃料的压力以完成排气。根据本实施例，通过感测何时燃料电池102中的电压，诸如燃料电池堆的一个燃料电池的电压降至低于预定阈值，排气请求模块120确定何时需要排出非燃料物质110。
在不排放时，可调节的氢燃料电池负载116被调节为将无源排气阀112的上游压力保持为低于其开启压力，从而有效地使燃料电池102所消耗的燃料流速与燃料生成器108的燃料流速相匹配，而在排气期间，可调节的氢燃料电池负载116被调节为将无源排气阀112的上游压力增大至高于开启压力。这可通过减少燃料电池102(减小燃料电池负载电流)的燃料消耗，同时保持所生成的燃料流速恒定(这导致燃料压力积聚)来完成。可快速完成电流负载的调节，因而燃料压力的快速变化是可能的，这表示有可能实现快速、可控的排气。
根据图2所示的实施例，无源排气阀112被置于其中氢燃料源108并联连接的燃料电池堆102的远端，其中氢燃料源108被置于燃料堆102的近端。在此，通过感测在有负载时何时堆102的任一燃料电池的电压降至低于预定阈值，排气请求模块120确定何时需要排出非燃料材料110。例如，通过感测何时离无源排气阀112最近的燃料电池102中的电压降至低于预定阈值时，排气请求模块120可确定何时需要排出非燃料物质110。
图2示出具有排气检测的氢燃料电池排气系统200，其中排气阀出口202被路由至具有可调节负载116的燃料电池系统200的一个或多个电池102的阴极(未示出)。开始时，当惰性气体和其他诸如水蒸汽/冷凝等非燃料物质110被排放到电池的阴极上时，电池电压受到的影响最小，尤其在低负载或没有负载时。一旦所有非燃料物质110已被排出，且取而代之排出纯氢气时，在阴极催化剂层中氢气与大气中存在的氧气发生催化反应，从而有效减少电池中的氧气。这在电池电压中产生了可检测的降低，尤其在无源的由自然对流驱动的阴极流系统(参见图3)中，其可用于确认进行了成功排放，因为只有在所积聚的非燃料物质110排出后氢气才被排出，其中例如氮气通常在流径的末端积累。氢气排放到电池阴极上对电池102的工作也有积极效果，因为氢气减少催化剂的如氧化物等污染物。
根据一个实施例，排出废气202可通过各种手段被引导至燃料电池102的开放阴极上包括但不限于，将来自排气阀112的气体引导至电池102的表面、或者将排气阀112定位成引导至电池102上的废气202用于检测排气。
排气阀202的置于燃料电池102的阴极之上的输出可被置于阴极上的诸多位置，包括电池的中心或者靠近边缘处。当废气被置于靠近电池102的边缘时，检测排气不太敏感，因为排放燃料气体可更容易地排出。在燃料气体的压力受到有限控制的情形下这可能是有利的，可能导致过量气体经由电池102排放，从而限制电池102的功率输出。
图3示出根据本发明的多分立电池系统300，其使排出废气202路由至系统300中的一个或多个不同电池304。在诸多诸如有燃料电池阵列102的燃料电池系统中，多个电池与串联燃料气体流302、压力传感器310连接，并具有自然对流驱动的阴极流系统。当从无源排气阀112排出的非燃料物质110被引导通过阵列102中的一个燃料电池304(在无源排气阀112的上游)时，通过感测何时上游燃料电池304的电压降至低于阈值电压，排气完成模块118确定何时非燃料物质已被排出。如图所示，无源排气阀112被置于其中氢燃料串联连接的至少两个燃料电池102的远端，其中氢燃料源108被置于此阵列的近端。在图3所示类型的系统中，氮气将随着时间积聚在最后一个电池306中，最终导致其电压和功率输出降低。因此，排出废气202经由阵列102的最后一个电池306路由可能会有问题，因为排气检测模块不能够分辨因需要排气引起的电压下降(因为在阳极侧积聚的氮气)或者因已成功完成排气引起的电压下降(因为在空气侧的催化剂氧气的匮乏)。根据一个实施例，优选地使用阵列102的第一电池304之一(按照接收气体流的顺序)。
根据一个实施例，可调节的氢燃料电池负载116可包括附连至电池308的电池充电电路，其中电池308的充电电流可以调节。这里的一个方面是电池308不是基于应由什么充电，例如用恒定电流等，而是基于所产生氢气的量来充电的。在此，电池308用作将排气阀112的上游压力保持为低于开启压力所需的容易得到的能量存储、并且用作可支持从燃料电池系统对外部用户负载的连续功率输出(排气期间功率输出不中断)和峰值功率输出的混合装置。
根据本发明，存在用于检测氢气存在于燃料电池、燃料电池堆或燃料电池阵列的阴极上的多种方法。一种方法涉及测量一个电池的电压并将其与周围的电池比较。当收到排放输出的电池的电压显著低于其相邻电池且系统压力在期望排气的范围内，能可靠地得出排气成功的结论。
所公开的利用排气输出检测方法的一个方案是使用软件算法来监控系统，并使用来自排气电池的电压数据来确定排放已有效地完成。图4所示流程图400是一种可能的控制方案(非限制)。在此方案中，系统CPU会首先检测排气的需要402，通常寻找最后一个电池的电压下降。接着系统CPU会增大系统压力404。用于实现此目的的手段随系统类型而变化。在其中氢气是根据需求利用液体和固体间的二元化学反应产生的一个代表性燃烧氢气系统中，系统压力可通过加快产生氢气的速率来增大，产生氢气速率的加快又通过加快流体泵入包含反应固体的腔体的速率来实现。或者，系统压力可通过保持氢气产生的速率恒定、并通过减少燃料电池系统的负载从而减小消耗氢气的速率来增大，其用图2和图3所示的可调节负载116完成。在氢气生产速率有显著延迟度的系统中，减小负载以增大系统压力是优选的实施例。一旦压力被增高至高于最小阈值排气压力，系统CPU就等待观测排气检测电池中的指示排气成功的电压降406。之后，为了防止排出过多的氢气，系统或者可减少泵入的速率、或者可增加燃料电池的负载以使得系统压力回复至低于排气压力408。
本发明使用允许在预定压力下双向流动的至少一个无源阀。在一个可能的实施例中，圆顶阀被用作燃料电池系统中的无源排气阀。一旦达到预定压力阈值，圆顶阀就允许双向流动，从而使得单个阀能用于压力释放、排放和真空释放。用于排气的优选开启压力可低至1PSI。
排气阀组件可以是独立的部件或者集成到另一个组件中。在一个实施例中，圆顶阀可以是硅胶四叶圆顶阀。这些阀提供的附加益处是低成本和在低压下可靠地密封。圆顶阀提供的另一益处是关闭时的少许滞后。这使得排气更快，这在具有并联流场结构的燃料电池系统中是有利的。
图5示出辅助燃料电池实施例500，其包括排出废气202路由至辅助燃料电池502的阳极，而辅助燃料电池502的阴极从空气中得到氧气的供给，空气可来自如风扇等主动空气驱动506或优选地被动地通过扩散得到。来自无源排气阀112的排出废气202被引导至诸如辅助燃料电池502的阳极的氢气传感器，其中通过感测何时辅助燃料电池502的既可以是电压也可以是电流的输出504超过阈值水平，排气完成模块122确定何时非燃料物质110已被排出。开始时，当惰性气体和其他诸如水蒸汽/冷凝水等非燃料物质110排放到电池的阳极时，辅助燃料电池502的开放电池电压低且有负载时的电池电流最小。一旦所有惰性气体100已被排出且取而代之排出纯氢气时，辅助电池502的开放电池电压就升高，且在负载下的电流可观地增加。比较辅助电池502的负载电流和阈值可得出排放流中氢气的纯度。
根据另一个实施例，图6示出包括排出废气202在大气604存在的情况下路由至催化剂床602的催化剂床实施例600。在此，通过感测何时催化剂床602的温度606超过阈值水平，排气完成模块122确定何时非燃料物质100已被排出。催化剂床的结构允许例如通过扩散或文丘里混合来混合排放废气202与大气604。开始时，当惰性气体和其他如水蒸汽/冷凝等非燃料物质110排放到催化剂床时，气体穿过催化剂床不作任何反应。一旦所有惰性气体110已被排出且取而代之地排出纯氢气，与大气中的氧气混合的氢气就在催化剂床化学燃烧，从而释放出热和水蒸气。测量到的催化剂床602的温度升高606是指示排放流中的氢气纯度的好指标。适于此方法的催化剂选自铂族、银的氧化物、钴、锰或其他在室温下具有适合的催化活性的任意催化剂。
现已根据几个示例性实施例描述了本发明，其旨在在所有方面都是示例性的而非限制。因此，在具体实施中本发明可有多种变化，这些变化可由本领域普通技术人员从这里所包含的描述中导出。所有这些变化被视为落入由所附权利要求和其法律等效方案限定的本发明的范围和精神内。

Claims (19)

1.一种燃料电池排气系统，包括：
a.至少一个燃料电池；
b.燃料供应源；
c.可调节的燃料电池电流负载；
d.设置成排出所述燃料电池中所积聚的非燃料物质的至少一个无源排气阀，其中所述无源排气阀根据所述无源排气阀两端的压力差工作；
e.排气管理模块，其中所述排气管理模块包括排气请求模块和排气完成模块，其中所述排气请求模块确定何时要增大所述燃料的压力以启动所述排气，且所述排气完成模块确定何时要减小所述燃料的压力以完成所述排气。
2.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述燃料电池从包括氢气燃料电池、丙烷燃料电池、丁烷燃料电池和甲烷燃料电池的组中选择。
3.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述至少一个燃料电池从包括单个燃料电池、燃料电池堆和燃料电池阵列的组中选择。
4.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述非燃料物质从包括非燃料气体和冷凝水的组中选择。
5.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，在正常工作期间所述可调节的燃料电池负载被调节成将所述无源排气阀的上游压力保持为低于所述无源排气阀的开启压力，其中在排气期间，所述可调节的燃料电池负载被调节成将所述无源排气负载的上游压力增大至高于所述开启压力。
6.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述可调节的燃料电池负载包括附连至电池的电池充电电路，其中所述电池的充电电流可调节。
7.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述无源排气阀从包括无源双向阀和无源单向阀的组中选择。
8.如权利要求7所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述双向阀包括圆顶阀。
9.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述无源排气阀的开启压力低至1PSI。
10.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述无源排气阀被置于其中所述燃料串联连接的至少两个燃料电池的远端，其中所述燃料的源被置于所述阵列的近端。
11.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，通过感测何时任一所述燃料电池的电压降至低于预定阈值，所述排气请求模块确定何时需要排出所述非燃料物质。
12.如权利要求11所述的燃料电池排气系统，其特征在于，通过感测何时最靠近所述无源排气阀的所述燃料电池的电压降至低于预定阈值，所述排气请求模块确定何时需要排出所述非燃料物质。
13.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，通过感测何时所述排放主要包括所述燃料，所述排气完成模块确定何时所述非燃料材料已从至少一个燃料电池中排出。
14.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，从所述无源排气阀排出的所述非燃料物质被引导通过所述燃料电池阵列中的一个所述燃料电池的阴极，其中通过感测何时所述上游燃料电池的电压降至低于阈值，排气请求模块确定何时所述非燃料物质已被排出。
15.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，从所述无源排气阀排出的所述非燃料物质在大气存在的情况下被引导至催化剂床，其中通过感测何时所述催化剂床的温度超过阈值水平，所述排气完成模块确定何时所述非燃料物质已被排出。
16.如权利要求15所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述催化剂从包括铂、钯、钌、氧化锰、氧化银和氧化钴的组中选择。
17.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述排气完成模块通过使用定时器确定何时所述非燃料材料已被排出。
18.如权利要求17所述的燃料电池排气系统，其特征在于，所述定时器的持续期间根据启动所述排气前的一个所述燃料电池中的电流负载确定。
19.如权利要求1所述的燃料电池排气系统，其特征在于，从所述无源排气阀排出的所述非燃料物质被引导至辅助燃料电池的阳极，其中通过感测何时所述燃料电池的包括电流或电压的输出超过阈值水平，所述排气完成模块确定何时所述非燃料物质已被排出。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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