燃料电池操作中的水管理系统和方法
2019-11-22

燃料电池操作中的水管理系统和方法

一种PEM燃料电池系统,包括PEM燃料电池,该电池具有燃料或重整油、过程空气和冷却剂的各输入口和各输出口。将离开燃料电池空气输出口的潮湿废气量的预定部分转向而返回到空气输入口,并与在环境温度下进入PEM燃料电池的新鲜空气相结合,以维持在高温工作环境下燃料电池中的水平衡。循环空气送排比由处理器来控制,处理器根据环境温度和燃料电池的功率水平来调节循环流量。

为了维持水平衡或自给自足,例如用汽油和空气在标称的周围压力下工作的传统的PEM燃料电池系统的环境工作温度被限制在大约75°F。在较高的环境温度下工作的燃料电池所失去的水比在电池堆中所产生的水多,因此将需要补充用于燃料处理的水。实际上,在大约100°F的环境温度下,传统的PEM燃料电池系统在它的整个工作电功率范围内都需要补充水。

对于质子交换膜(PEM)燃料电池,自给自足水管理系统的缺点是,当在高的环境温度下工作时,使用相对干燥的环境空气作为一个反应物会使水的损失比反应物氢、氧之间反应所产生的水更大。而且,在高温工作环境下,水的过分损失会变干,并且会使电池堆的膜永久性地损坏。

冷却剂位置传感器39,例如低位传感器,可以用来当作另外一个独立于环境温度和燃料电池系统的电输出功率之外的用来维持水平衡的安全措施。例如,当存储在水箱37中的冷却剂量下降到低于预定的位置或数值时,冷却剂位置传感器39给处理器78发送一个信号,通知该处理器稍微增加循环空气的排出比例。

为了维持水平衡或自给自足,例如用汽油和空气在标称的周围压力下工作的传统的PEM燃料电池系统的环境工作温度被限制在大约75°F。在较高的环境温度下工作的燃料电池所失去的水比在电池堆中所产生的水多,因此将需要补充用于燃料处理的水。实际上,在大约100°F的环境温度下,传统的PEM燃料电池系统在它的整个工作电功率范围内都需要补充水。

在本发明的另一个方面,操作PEM燃料电池系统的方法包括提供一种PEM燃料电池。引导燃料或重整油(reformate)经燃料输入口和燃料输出口而通过PEM燃料电池。引导冷却剂经冷却剂输入口和冷却剂输出口而通过PEM燃料电池。引导其温度大约为环境温度的新鲜空气经空气输入口和空气输出口而通过PEM燃料电池。测量燃料电池的环境工作温度和燃料电池的电输出功率。调整气流分离器,以便将预定的一部分量的废气转向而返回到燃料电池的空气输入口,从而将燃料电池的电输出功率调整到额定电输出功率的预定百分数,该百分数将在所检测到的环境工作温度下维持燃料电池系统中的总体水平衡。

根据上面所述,本发明的第一个目的是提供一种PEM燃料电池系统,它克服了以前PEM燃料电池系统在高温工作环境下在维持水平衡方面的缺点和不足。当结合附图来阅读下面的描叙时,本发明的上述和其它目的以及优点将会变得更加清楚。

图5表示在大约100°F的环境工作温度下,补充水和汽油发电环境压力50KW的PEM燃料电池系统的电输出功率之间的关系。图5是空气利用率的曲线图,该曲线图表示表示从额定电功率为大约20%时的大约60%的空气利用率(由参考标线412所示的、与20%额定电功率对应的横坐标位置)到额定电功率为大约100%时的大约30%的空气利用率(由参考标线414所示的、与100%额定电功率对应的横坐标位置)的线性变化。曲线400表示循环空气送排比为2时PEM燃料电池的关系,曲线410表示没有循环空气的PEM燃料电池系统的关系。如曲线410所示,在使用单通道过程空气的PEM燃料电池系统的满电输出功率范围内都需要补充水。相反,曲线400表示空气循环的PEM燃料电池系统在额定电输出功率从0到大约67%的范围内能维持水的平衡或自给自足,这也如图4中的曲线300上的点304所示。

本发明一般涉及质子交换膜(PEM)燃料电池的操作,更具体地说,涉及在高温工作环境下维持水平衡或自给自足的PEM燃料电池系统和方法。

附图的简要描述图1是具有过程空气循环的PEM燃料电池系统的示意图。

在本发明的另一个方面,操作PEM燃料电池系统的方法包括提供一种PEM燃料电池。引导燃料或重整油(reformate)经燃料输入口和燃料输出口而通过PEM燃料电池。引导冷却剂经冷却剂输入口和冷却剂输出口而通过PEM燃料电池。引导其温度大约为环境温度的新鲜空气经空气输入口和空气输出口而通过PEM燃料电池。测量燃料电池的环境工作温度和燃料电池的电输出功率。调整气流分离器,以便将预定的一部分量的废气转向而返回到燃料电池的空气输入口,从而将燃料电池的电输出功率调整到额定电输出功率的预定百分数,该百分数将在所检测到的环境工作温度下维持燃料电池系统中的总体水平衡。