專利名稱：利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備。
背景技術(shù)：
更具體地，本發(fā)明涉及利用燃料電池發(fā)電的“閉環(huán)”或“集成系統(tǒng)”設(shè)備，也就是說，涉及其中用于產(chǎn)生供應(yīng)至燃料電池的氣體的裝置、用于調(diào)整并存儲這些氣體的裝置，以及燃料電池自身結(jié)合在單個設(shè)備中的設(shè)備。這種類型的集成系統(tǒng)在US2004126641中和W003041204中進行了描述。更具體地(但并不是排它地)關(guān)于在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用來描述本發(fā)明，此處該技術(shù)被廣泛地研究并且顯然是有前景的。本發(fā)明還被有利地用于海洋或航空領(lǐng)域。這些應(yīng)用可以是汽車，此處利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備是車載的，或者是固定的，此處利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備為位于車輛之外的裝置并且旨在為在車站的車輛提供能量。該應(yīng)用還可在用于能量存儲的靜態(tài)領(lǐng)域中使用。在汽車應(yīng)用的情況下，利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備一般與另一種能源相結(jié)合，該能源可以是自然界的電，這樣的源包括(但不限于)光伏板。因此，利用燃料電池發(fā)電的這種類型的設(shè)備能夠用于產(chǎn)生并存儲能量，并且按照在主能源不可用或者不足處的需求來供應(yīng)電倉泛。眾所周知，燃料電池能夠用于通過使用例如氣態(tài)氫的燃料氣體和例如氣態(tài)氧或空氣的氧化劑氣體的電化學(xué)氧化還原作用來直接產(chǎn)生電能，而不經(jīng)過任何中間的機械能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)燃料氣體和氧化劑氣體分別為氣態(tài)氫和氣態(tài)氧時，燃料電池被稱為“氫-氧燃料電池”，或者當(dāng)燃料氣體和氧化劑氣體分別為氣態(tài)氫和空氣時，被稱為“氫-空氣燃料電池”。燃料電池一般包括單一元件的一系列結(jié)合，每個單一元件本質(zhì)上由通過電解質(zhì)隔離的陽極和陰極組成。在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)電解質(zhì)為固體電解質(zhì)，本質(zhì)上由聚合物膜組成，該聚合物膜允許離子從陽極穿過至陰極。這種類型的特定膜的實例為由DuPont銷售的商標(biāo)名為“Nafion”的膜。由于氫質(zhì)子穿過它們，因此這些膜必須具有高離子傳導(dǎo)率，并且它們必須是電絕緣的，以確保電子運行經(jīng)過電池外部的電路。眾所周知，不僅上面提到的類型的膜，而且還對于其他在燃料電池中的用作固體電解質(zhì)的膜，膜的傳導(dǎo)率是它們的含水量的函數(shù)。因此，供應(yīng)至電池的氣體必須具有足夠的水分含量。因而必須將具有足夠但不過多的水分含量的燃料氣體和氧化劑氣體供應(yīng)給燃料電池。出于該目的，通過多步驟流程可以產(chǎn)生供應(yīng)至燃料電池的燃料氣體和氧化劑氣體，下面描述氫-氧燃料電池的情況。在氫-氧燃料電池的情況下，第一步驟為利用通過電解產(chǎn)生氣體的裝置(被稱為電解器)產(chǎn)生氣態(tài)氫和氣態(tài) 氧，如在W02010/024594中所描述的，在燃料電池的出口處水是可回收的。在這種情況下，流出電解器的氣態(tài)氫和氣態(tài)氧是水蒸氣飽和的。在第一步驟的最后，分別調(diào)整氫氣和氧氣，并且下面描述的步驟是針對給定氣體進行描述的。第二步驟包括在每種氣體的加壓存儲之前的每種氣體的脫水，也就是說氣體的干燥或者至少是包含在其中的水分的部分提取。氣體的脫水是必須的，因為水冷凝降低了任何可用于在存儲之前壓縮氣體的壓縮機的使用壽命，以及氣體存儲罐的壽命。通?；蛘咄ㄟ^冷卻并冷凝氣體，或者通過使氣體穿過脫水裝置來干燥氣體。通過冷卻并冷凝氣體來進行的干燥需要能量的輸入。通過使氣體穿過脫水裝置進行的干燥通常利用包括處于固態(tài)的干燥劑材料的脫水裝置來執(zhí)行。具體而言，脫水裝置可以是脫水塔，一般塞滿了例如硅膠顆粒的干燥劑顆粒，如在W02007050447中所提到的。通過使氣體穿過脫水塔進行的干燥需要干燥劑顆粒的維護。這是因為在一定數(shù)目的待干燥的氣體的穿過后，干燥劑顆粒變得水分飽和，因此對于它們的脫水作用失效。因此，或者周期性地更新干燥劑顆粒(需要定期的維護操作)，或者再生干燥劑顆粒，也就是說，通過清除由電解器產(chǎn)生的氣體并且穿過脫水塔來自動地進行干燥(導(dǎo)致了由電解器產(chǎn)生的氣體的大約10%的體積損耗)。第三步驟包括利用壓縮機來壓縮從脫水裝置中流出的干燥氣體，并且將壓縮的干燥氣體存儲在加壓存儲罐中。通常，在脫水之后氣態(tài)氫的存儲壓力在200巴到350巴之間，而在脫水之后氣態(tài)氧的存儲壓力大約為130巴。對于氫存儲，替代的解決方案為在低壓下以金屬氫化物的形式存儲，也就是為在5巴到15巴之間的壓力。該存儲壓力實質(zhì)上等于從脫水裝置中流出的氣態(tài)氫的壓力，使得無須使用壓縮機。以細(xì)粉的形式的可能為例如鎳和鑭的化合物的金屬氫化物，具有當(dāng)經(jīng)受一定程度的壓力時吸收氣態(tài)氫，伴隨著少量放熱的性質(zhì)。為了隨后釋放氫，必須通過使用例如燃料電池的熱損耗來供應(yīng)熱。當(dāng)釋放時，氫再次為純氣態(tài)氫的形式。第四步驟為將壓縮的干燥氣體從存儲中取出，并且利用減壓器使其膨脹，如果必要的話將減壓器連接至安全閥。在將氫從存儲(此處氫以金屬氫化物的形式存儲)中取出的具體情況下，該步驟包括釋放由如上所述的氣態(tài)形式的金屬氫化物吸收的氫。第五步驟包括加濕 膨脹的干燥氣體，以便向燃料電池供應(yīng)潮濕的氫燃料氣體和以潮濕的氧形式的氧化劑氣體。這是由于潮濕的氣體對燃料電池的操作是必不可少的，尤其是為了避免降低它的使用壽命。存在著許多加濕的方法，其可能是復(fù)雜、費力且昂貴的。可能被提到的方法包括(尤其并不排它)在氫回路上的再循環(huán)那些方法(如在US2003031906中所描述的)、與Nafion微型管的熱交換器的使用、焓輪的使用，以及水霧噴射。第六步和最終步驟為向電池供應(yīng)從氣態(tài)氧和氫各自的加濕裝置獲得的潮濕的氣態(tài)氧和氫。在氫-空氣燃料電池的情況下，僅有氣態(tài)氫經(jīng)歷如上所述的六個流程步驟。例如，對于通過水的電解來產(chǎn)生氣態(tài)氫的第一步驟，同時產(chǎn)生但不供應(yīng)給燃料電池的氣態(tài)氧能夠放電到大氣。對于一般從空氣壓縮機獲得的氧化劑氣體(即空氣)，其可以在氧化劑氣體進入燃料電池之前，利用濕度交換機通過從燃料電池流出的潮濕的空氣進行加濕。本發(fā)明旨在克服上述脫水裝置的缺點，尤其是對于脫水裝置的定期維護和/或非最佳再生，并且也對于脫水裝置的復(fù)雜性和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提出一種利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其提供對脫水裝置的自動并有效的維護并且其使用簡化的脫水裝置。該目的通過利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備來實現(xiàn)，該設(shè)備包括:一產(chǎn)生燃料氣體的裝置和產(chǎn)生氧化劑氣體的裝置，燃料氣體和氧化劑氣體旨在分別供應(yīng)至燃料電池，它們在其中彼此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能；一至少一個用于燃料氣體和氧化劑氣體其中一種的調(diào)節(jié)單元，包括至少一個旨在氣體受壓存儲之前至少提取包含在穿過該單元的氣體中的一些水分的脫水裝置；至少兩個閥門，一個在脫水裝置的上游而一個在脫水裝置的下游；至少一個用于存儲受壓氣體的裝置，以及至少一個用于在氣體已經(jīng)從存儲中去除并經(jīng)減壓后加濕氣體的裝置；一閥門，在第一狀態(tài)的所述閥門通過將氣體產(chǎn)生裝置、脫水裝置，以及用于存儲受壓氣體的裝置串聯(lián)連接在一起，而使發(fā)電設(shè)備能夠配置在氣體產(chǎn)生和存儲操作模式；一閥門，在第二狀態(tài)的所述閥門通過允許燃料氣體和氧化劑氣體的其中一種的通道穿過脫水裝置以供應(yīng)至燃料電池，而使發(fā)電設(shè)備能夠配置在燃料電池操作模式；以及脫水裝置，所述脫水裝置以這樣的方式配置:在燃料電池操作模式下，脫水裝置在至少60° C的溫度進行操作，并且通過至少部分地存儲從在氣體產(chǎn)生和存儲模式下穿過脫水裝置的氣體中提取的水分以在燃料電池操作模式下至少部分地加濕穿過脫水裝置的氣體。一種利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備包括，在第一位置內(nèi)的產(chǎn)生燃料氣體的裝置和產(chǎn)生氧化劑氣體的裝置。在氫-氧電池的情況下，這些產(chǎn)生裝置通常結(jié)合在單個的氣體產(chǎn)生裝置中。該普通的氣體產(chǎn)生裝置按照慣例為通過水的電解產(chǎn)生氣態(tài)氫和氧的電解器。待被電解的水一般存儲在水罐中，該水罐至少能被部分地供應(yīng)從可位于電解器下游的冷凝器獲得的和/或從燃料電池獲得的再循環(huán)水。在氫-空氣燃料電池中，氣體產(chǎn)生裝置是分開的:氣態(tài)氫通常從電解器獲得，然而空氣通常由空氣壓縮機來供應(yīng)。—種利用氫-氧燃料電池發(fā)電的設(shè)備還包括用于氫氣和氧氣中的每一種的調(diào)節(jié)單元。該調(diào)節(jié)單元包括至少一個用于在受壓存儲氣體之前使氣體脫水的裝置、至少一個用于存儲受壓氣體的裝置，以及至少一個用于在氣體已經(jīng)從存儲中取出后加濕氣體的裝置。在氫-空氣燃料電池的情況下，僅有氣態(tài)氫經(jīng)歷如上所述的六個流程步驟。如上所述，脫水裝置為用于干燥氣體的裝置，也就是說用于在通過壓縮機壓縮氣體之前(如果需要的話)至少部分地提取包含在氣體中的水分，并且之后將其以壓縮的形式存儲在例如存儲罐的加壓存儲裝置中。這是因為壓縮機和存儲罐一般包括金屬部件，因此易受任何存在于與它們接觸的氣體中的水分的腐蝕，使得有必要干燥氣體來實現(xiàn)壓縮機和存儲罐的金屬部件較長的使用壽命。在氫的情況下，作為替代選擇，可配置在低壓下以氫化物形式進行存儲(也就是說在5巴到15巴之間)，而不使用壓縮機。在使用氫化物處，仍有必要預(yù)先干燥氣體，以實現(xiàn)存儲裝置較長的使用壽命。通過水的電解而產(chǎn)生的并且水蒸氣飽和的氣體可以通過在氣體穿過脫水裝置之前使其經(jīng)過冷凝器以從氣體中去除一些水分而進行部分地干燥(如果需要的話)。該冷凝器可使用周圍環(huán)境的空氣作為它的冷源，或者，在對海洋應(yīng)用的更有利的布置中，可經(jīng)由熱交換器的媒介而使用海水。

加壓干燥氣體存儲裝置一般為存儲罐，其設(shè)計為抵抗氣壓。出于供應(yīng)燃料電池的目的，接下來干燥的氣體(例如氣態(tài)氫或氣態(tài)氧)被從它的存儲罐中取出，通過減壓器進行減壓，并且之后在被供應(yīng)給燃料電池之前穿過加濕裝置。 根據(jù)本發(fā)明的閥門系統(tǒng)，包括至少兩個閥門，分別位于脫水裝置的上游和下游，所述閥門系統(tǒng)使得發(fā)電設(shè)備能夠配置在兩個操作模式中，即氣體產(chǎn)生和存儲模式以及燃料電池操作模式。這些閥門例如為三通閥門。在氣體產(chǎn)生和存儲操作模式下，配置為第一狀態(tài)的閥門將氣體產(chǎn)生裝置、用于在氣體的加壓存儲前使氣體脫水的裝置，以及用于存儲受壓氣體的裝置串聯(lián)連接在一起。通過這種連接的方式，通過電解產(chǎn)生的并且隨后進行干燥和壓縮的氣體的每一種都能夠被存儲在存儲罐中。在氣態(tài)氫的情況下，其能夠替代地以金屬氫化物的形式存儲在罐中，而不需預(yù)先壓縮。在燃料電池操作模式中，配置為第二狀態(tài)的閥門允許燃料氣體和氧化劑氣體的其中一種的通道穿過脫水裝置以向燃料電池供應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，脫水裝置還以這樣的方式配置:在燃料電池操作模式下，脫水裝置在至少60° C的溫度進行操作，并且通過至少存儲從在氣體產(chǎn)生和存儲模式下穿過脫水裝置的氣體中提取的一些水分以在燃料電池操作模式下至少部分地加濕穿過脫水裝置的氣體。也就是說，脫水裝置被用作加濕裝置。因此，脫水裝置具有提供脫水和加濕兩個功能的優(yōu)點，由此簡化了利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備。此外，在氣體產(chǎn)生和存儲模式下在潮濕氣體通過的期間，通過脫水裝置存儲的水分至少部分地存儲到在燃料電池操作模式下穿過脫水裝置的氣體中。因此至少一些通過脫水裝置存儲的水分的去除使得能夠進行自動維護(也就是說無需人工干預(yù)的維護)，以保持或再生它的脫水能力。這具有增加利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備的總體能量效率的有益效果，這是由于通過使用由燃料電池?fù)p耗的自由能量來再生脫水
裝直。 在至少60° C的溫度對在脫水模式下的脫水裝置的操作使得可以解吸與在5° C到25° C之間的溫度、在干燥模式下吸收的相同量的水分。因此，為了解吸與在存儲階段期間吸收的相同量的水分，待加濕的氣體的溫度必須高于待干燥的氣體的溫度。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案為一種發(fā)電設(shè)備，其中在燃料電池操作模式下由泵來驅(qū)動的脫水裝置以這樣的方式配置:其操作溫度在60° C到100° C之間，或者優(yōu)選在60° C到80° C之間，該脫水裝置至少部分地加濕穿過它的氣體。這樣的操作溫度使得在脫水步驟期間通過脫水裝置重新獲得的水分能夠被轉(zhuǎn)化為水蒸氣。優(yōu)選的溫度范圍[60° C，80° C]對應(yīng)于燃料電池的正常操作溫度。溫度范圍[80° C，100° C]對應(yīng)于傾向被選用為仍在開發(fā)中的燃料電池的膜的操作溫度。這些更高的溫度是有利的，例如因為它們可以降低操作燃料電池所需要的鉬的量，或者更容易冷卻燃料電池。前述優(yōu)選實施方案的變型為一種發(fā)電設(shè)備，其包括由泵驅(qū)動的燃料電池冷卻回路，其中脫水裝置以這樣的方式配置:其操作溫度部分地達到與燃料電池冷卻回路進行熱交換的結(jié)果，該脫水裝置至少部分地加濕穿過它的氣體。該變型的實施方案使得可以使用已存在的熱源(即燃料電池冷卻回路)，因而提供了經(jīng)濟利益。它還使得可以獲得在60° C到100 ° C之間的操作溫度，或者優(yōu)選在60 ° C到80 ° C之間的溫度，其是使存儲在脫水裝置中的水分蒸發(fā)所需要的。發(fā)電設(shè)備以這樣的方式配置仍然是有利的:進入脫水裝置的氣體的溫度在60° C到100° C之間，或者優(yōu)選在60° C到80° C之間，該脫水裝置至少部分地加濕在燃料電池操作模式下穿過它的氣體。也就是說，進入脫水裝置的干燥的膨脹氣體被預(yù)加熱到能夠使存儲的水分蒸發(fā)的溫度。氣體的加熱可以與如上所述的脫水裝置的加熱相結(jié)合。如果利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備包括燃料電池冷卻回路，則發(fā)電設(shè)備以這樣的方式有利地配置:進入脫水裝置的氣體的溫度至少部分地達到與燃料電池冷卻回路進行熱交換的結(jié)果，該脫水裝置至少部分地加濕在燃料電池操作模式下穿過它的氣體。該實施方案使得可能使用已經(jīng)存在的熱源(即燃料電池冷卻回路)，以獲得在60° C到100° C之間的溫度，或者優(yōu)選在60° C到80° C之間的溫度，其是使存儲在脫水裝置中的水分蒸發(fā)所需要的。在本發(fā)明的一個實施方案中，利用燃料電池的發(fā)電裝置包括分別用于燃料氣體和氧化劑氣體中的每一種的調(diào)節(jié)單元。因而通過使用兩個分開的調(diào)節(jié)單元，可以分別避免任何的接觸，因此避免在燃料氣體和氧化劑氣體供應(yīng)到燃料電池之前，燃料氣體和氧化劑氣體之間的任何化學(xué)反應(yīng)。這是對于利用氫-氧燃料電池發(fā)電的設(shè)備的特別情況，在氫-氧燃料電池中燃料氣體(氣態(tài)氫)和氧化劑氣體(氣態(tài)氧)通過它們各自的調(diào)節(jié)單元來調(diào)節(jié)。在利用氫-氧燃料電池發(fā)電的設(shè)備的情況中，用于產(chǎn)生氣態(tài)氫和氣態(tài)氧的裝置結(jié)合在通過電解從連接至燃料電池的水存儲罐中獲得的水進行操作的單個產(chǎn)生裝置中。通過水的電解進行操作的該產(chǎn)生裝置為通常使用的且經(jīng)濟的同時產(chǎn)生氣態(tài)氫和氣態(tài)氧的裝置。在本發(fā)明的另一實施方案中，利用燃料電池的發(fā)電裝置包括僅用于氧化劑氣體的調(diào)節(jié)單元。尤其是在氫-空氣燃料電池的情況下，在氫-空氣燃料電池中，僅有通過水的電解產(chǎn)生的氣態(tài)氫具有從本發(fā)明的意義上說的調(diào)節(jié)單元。一般從壓縮機獲得的空氣，也就是說從與用于氣態(tài)氫的裝置分開的產(chǎn)生裝置獲得的空氣，不需要這種類型的調(diào)節(jié)單元。在本發(fā)明的優(yōu)選實 施方案中，脫水裝置以這樣的方式配置:相同的氣體在燃料電池操作模式下穿過脫水裝置，該脫水裝置(在氣體產(chǎn)生和存儲模式下)旨在氣體受壓存儲之前至少提取包含在穿過它的氣體中的一些水分。也就是說，脫水裝置還在已經(jīng)從存儲中取出氣體后和在氣體供應(yīng)至燃料電池之前，在燃料電池操作模式下加濕相同的氣體，該脫水裝置(在氣體產(chǎn)生和存儲模式下)在氣體受壓存儲之前干燥穿過它的氣體。因此脫水裝置對相同的氣體提供了脫水和加濕兩種功能。有利的是，脫水裝置因此具有穿過它的相同化學(xué)成分的氣體，因而避免了在脫水裝置內(nèi)的任何化學(xué)反應(yīng)的風(fēng)險。在氫-氧燃料電池的情況下，氣態(tài)氫和氣態(tài)氧回路因此是完全與彼此分開的。在本發(fā)明的另一有利的實施方案中，脫水裝置以這樣的方式進行配置:第二氣體在燃料電池操作模式下穿過脫水裝置，該脫水裝置(在氣體產(chǎn)生和存儲模式下)旨在氣體受壓存儲之前至少提取包含在穿過它的第一氣體中的一些水分。也就是說，脫水裝置在已經(jīng)從存儲中取出第二氣體后及在第二氣體供應(yīng)至燃料電池之前，在燃料電池操作模式下加濕第二氣體，該脫水裝置(在氣體產(chǎn)生和存儲模式下)在氣體受壓存儲之前干燥穿過它的第一氣體。因此脫水裝置對不同的氣體提供了脫水和加濕兩種功能。術(shù)語“第一氣體”表示在氣體產(chǎn)生和存儲模式下穿過脫水裝置的氣體，并且術(shù)語“第二氣體”表示在燃料電池操作模式下穿過脫水裝置的氣體。通過實例的方式，在氫-空氣燃料電池的情況下，用于氣態(tài)氫的脫水裝置可以加濕壓縮的空氣(壓縮的空氣反過來干燥脫水裝置)，可以使得無需加熱脫水裝置。對于不被其自身的脫水裝置加濕的氣態(tài)氫，其可以之后通過使從燃料電池中流出的剩余的潮濕氣態(tài)氫再循環(huán)來加濕。本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案為一種利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其中脫水裝置由至少一個包含干燥劑顆粒的脫水塔形成，其為已知且成熟的技術(shù)。在前述優(yōu)選實施方案的一個變型中，脫水塔的干燥劑顆粒為硅膠類型，是一種通常用于這種類型的應(yīng)用的材料。同樣有利的是，對于氫存儲裝置采用金屬氫化物的形式作為該存儲裝置，使得不必使用在脫水裝置下游的壓縮機。本發(fā)明還提出將根據(jù)本發(fā)明的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備用于機動車輛。


從附圖1到附圖3中，本發(fā)明的特征和其他優(yōu)點將變得更加明顯，其中:-圖1顯示了在氣體產(chǎn)生和存儲模式下供應(yīng)至燃料電池的兩種氣體中的一種的回路，在該情況下利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備包括分別用于燃料氣體和氧化劑氣體的每一種的調(diào)節(jié)單元回路。-圖2顯示了在燃料電池操作模式下供應(yīng)至燃料電池的兩種氣體中的一種的回路，在該情況下利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備包括分別用于燃料氣體和氧化劑氣體的每一種的調(diào)節(jié)單元回路。-圖3顯示在燃料電池操作模式下供應(yīng)至燃料電池的兩種氣體的回路，此處利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備僅包括用于氧化劑氣體的調(diào)節(jié)單元。
具體實施例方式圖1和圖2示意性地顯示了兩種氣體中僅一種的回路，這兩種氣體分別為燃料氣體和氧化劑氣體，該回路對于每一種氣體來說是類似的。圖1顯示了在氣體產(chǎn)生和存儲模式下供應(yīng)至在氣體產(chǎn)生裝置I和加壓存儲裝置5之間的燃料電池的兩種氣體中的一種的回路。下面參考供應(yīng)至氫-氧燃料電池的氣態(tài)氫來描述該回路。此外，對于給定操作模式，操作中的回路部分如實線所示，而沒有在操作中的回路如虛線所示。通過存儲在水罐12中的水分的電解，使用氣體產(chǎn)生裝置I來產(chǎn)生氣態(tài)氫和氣態(tài)氧。至少部分地向水罐12供應(yīng)從位于電解器I的下游的冷凝器2獲得的再循環(huán)水，以及從燃料電池8獲得的再循環(huán)水。從氣體產(chǎn)生裝置I獲得的并且水蒸氣飽和的氣態(tài)氫在冷凝器2中部分干燥。之后，實際的脫水在外圍環(huán)境溫度(也就是說在20° C到25° C之間)下在脫水裝置3中進行。已經(jīng)以這種方式穿出脫水裝置3來進行干燥的氣體在壓縮機4中壓縮，對于氣態(tài)氫典型在200巴到350巴之間，并且之后存儲在加壓存儲裝置或罐5中?？商娲?在氫的情況中，如果氣體在范圍從5到15巴的壓力下以氫化物的形式存儲在罐5中，則可不必使用壓縮機4。分別位于脫水裝置3的上游和下游的三通閥門6和7配置在氣體產(chǎn)生和存儲模式；也就是說，它們將氣體產(chǎn)生裝置1、用于在氣體加壓存儲前使氣體脫水的裝置3，以及用于存儲受壓氣體的裝置5串聯(lián)連接在一起。

圖2顯示在燃料電池操作模式下供應(yīng)至燃料電池的兩種氣體中的一種的回路，該回路從加壓存儲裝置5向燃料電池8運行。如圖1所示，參考供應(yīng)至氫-氧燃料電池的氣態(tài)氫來描述該回路。在燃料電池操作模式下，干燥的氣態(tài)氫被從它的加壓存儲裝置5中取出，并通過減壓器9的方式進行減壓，該減壓器與位于減壓器9的下游的安全閥門10相關(guān)聯(lián)。之后，減壓的干燥氣態(tài)氫的通道在60° C到100° C之間的操作溫度，或者優(yōu)選在60° C到80° C之間的溫度穿過脫水裝置3的過程中加濕減壓的干燥氣態(tài)氫。該操作溫度通過在脫水裝置3和燃料電池8的冷卻回路11之間的熱交換而獲得。該冷卻回路的液體由泵14來驅(qū)動。圖3顯示在燃料電池操作模式下供應(yīng)至燃料電池的兩種氣體中的回路。這是例如當(dāng)使用氫-空氣燃料電池時的情況。在該實施方案中，干燥的氣態(tài)氫被從它的加壓存儲裝置5中取出，并通過減壓器9的方式進行減壓，該減壓器與位于減壓器9的下游的安全閥門10相關(guān)聯(lián)。之后，經(jīng)減壓的干燥氣態(tài)氫通過從燃料電池8中流出的剩余的潮濕氣態(tài)氫的再循環(huán)來加濕。流出壓縮機13的空氣在供應(yīng)至燃料電池8之前經(jīng)由閥門7進入氣態(tài)氫脫水裝置3，并且在其中加濕。包括僅用于氣態(tài)氫的單獨調(diào)節(jié)單元的該變型實施方案并未示出，其中氣態(tài)氫通過其自身的干燥裝置來加濕并且空氣通過從燃料電池中流出的潮濕空氣來加濕。本發(fā)明并無意限制上述及在圖1到3中顯示的實例，但能被擴展至其他的實施方案，包括但不限于:一利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，包括以包含除硅膠類型外的干燥劑顆粒的塔的形式的脫水裝置，一利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，包括包含不同于干燥劑顆粒的固態(tài)干燥劑材料的脫水裝置，一利用燃料電池·發(fā)電的設(shè)備，包括共同具有多個燃料電池的多個用于脫水和存儲的裝置。最后，該利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備不限于為機動車輛供應(yīng)電能，而是可用于需要電能供應(yīng)的任何設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，包括: -產(chǎn)生燃料氣體的裝置(I)和產(chǎn)生氧化劑氣體的裝置(1、13)，燃料氣體和氧化劑氣體旨在分別供應(yīng)給燃料電池(8)，在所述燃料電池(8)中所述燃料氣體和所述氧化劑氣體彼此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能； -至少一個用于所述燃料氣體和氧化劑氣體的其中一種的調(diào)節(jié)單元(2、3、4、5、6、7、9、10)，包括至少一個旨在氣體受壓存儲之前至少提取包含在穿過單元的氣體中的一些水分的脫水裝置(3);至少兩個閥門(6、7)，一個在所述脫水裝置的上游而一個在所述脫水裝置的下游；至少一個用于存儲受壓氣體的裝置(5)，以及至少一個用于在氣體已經(jīng)從存儲中去除并經(jīng)減壓后加濕氣體的裝置； -閥門(6、7)，在第一狀態(tài)的所述閥門(6、7)通過將氣體產(chǎn)生裝置(I)、所述脫水裝置(3)，以及用于存儲受壓氣體的裝置(5)串聯(lián)連接在一起，而使發(fā)電設(shè)備能夠配置在氣體產(chǎn)生和存儲操作模式； 其特征在于在第二狀態(tài)的所述閥門(6、7)允許將所述燃料氣體和氧化劑氣體的其中一種的通道穿過所述脫水裝置(3)以供應(yīng)至所述燃料電池(8)，而使所述發(fā)電設(shè)備能夠配置在燃料電池操作模式，并且其特征在于所述脫水裝置(3)以這樣的方法配置:在燃料電池操作模式下，所述脫水裝置(3)在至少60° C的溫度進行操作，并且通過至少存儲從在氣體產(chǎn)生和存儲模式下穿過所述脫水裝置(3)的氣體中提取一些水分以至少部分地加濕穿過所述脫水裝置(3)的氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述脫水裝置(3)以這樣的方式配置:所述脫水裝置(3)的操作溫度在60° C到100° C之間，或者優(yōu)選在60° C到80° C之 間，所述脫水裝置(3)在燃料電池操作模式下至少部分地加濕穿過所述脫水裝置(3)的氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，包括由泵(14)驅(qū)動的所述燃料電池(8)的冷卻回路(11)，其特征在于所述脫水裝置(3)以這樣的方式配置:所述脫水裝置(3)的操作溫度至少部分地達到與所述燃料電池(8)的所述冷卻回路(11)進行熱交換的結(jié)果，所述脫水裝置(3)在燃料電池操作模式下至少部分地加濕穿過所述脫水裝置(3)的氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述發(fā)電設(shè)備以這樣的方式配置:進入所述脫水裝置(3)的氣體的溫度在60° C到100° C之間，或者優(yōu)選在60° C到80° C之間，所述脫水裝置(3)在燃料電池操作模式下至少部分地加濕穿過所述脫水裝置(3)的氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，包括由泵(14)驅(qū)動的所述燃料電池(8)的所述冷卻回路(11)，其特征在于所述發(fā)電設(shè)備以這樣的方式配置:進入所述脫水裝置(3 )的氣體的溫度至少部分地達到與所述燃料電池(8 )的冷卻回路(11)進行熱交換的結(jié)果，所述脫水裝置(3)在燃料電池操作模式下至少部分地加濕穿過所述脫水裝置(3)的氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備包括分別用于所述燃料氣體和氧化劑氣體的其中一種的調(diào)節(jié)單兀(2、3、4、5、6、7、9、10)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述燃料氣體和氧化劑氣體分別為氣態(tài)氫和氣態(tài)氧。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于基于從連接至所述燃料電池(8)的水存儲罐(12)中獲得的水分的電解，將用于產(chǎn)生氣態(tài)氫和氣態(tài)氧的裝置結(jié)合在產(chǎn)生裝置(I)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備包括僅用于燃料氣體的調(diào)節(jié)單元(2、3、4、5、6、7、9、10)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述燃料氣體和氧化劑氣體分別為氣態(tài)氫和空氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于用于產(chǎn)生氣態(tài)氫的裝置為通過電解從連接至所述燃料電池(8)的水存儲罐(12)中獲得的水分來操作的產(chǎn)生裝置(I)，并且其特征在于空氣產(chǎn)生裝置為空氣壓縮機(13)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述脫水裝置(3)以這樣的方式配置:相同的氣體在燃料電池操作模式下穿過所述脫水裝置(3),所述脫水裝置(3)旨在在氣體產(chǎn)生和存儲模式下在受壓存儲之前至少提取包含在穿過所述脫水裝置(3)的氣體中的一些水分。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于所述脫水裝置(3)以這樣的方式配置:第二氣體在燃料電池操作模式下穿過所述脫水裝置(3),所述脫水裝置(3)旨在在氣體產(chǎn)生和存儲模式下在受壓存儲之前至少提取包含在穿過所述脫水裝置(3)的第一氣體 中的一些水分。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于通過至少一個包含干燥劑顆粒的脫水塔形成所述脫水裝置(3 )。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于脫水塔(3)的干燥劑顆粒為硅膠類型。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，其特征在于氫存儲裝置以金屬氫化物的形式設(shè)置。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中的任一項所述的利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備應(yīng)用于機動車輛的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用燃料電池發(fā)電的設(shè)備，包括用于產(chǎn)生燃料氣體和助燃?xì)怏w的裝置(1)，以及至少一個用于將或者燃料氣體或者助燃?xì)怏w打包的調(diào)節(jié)單元(2、3、4、5、6、7、9、10)。打包單元包括至少一個用于在氣體受壓存儲之前進行干燥的裝置(3)、至少一個用于受壓存儲氣體的裝置(5)，以及至少一個用于在從存儲中取出同樣的氣體后加濕氣體的裝置。根據(jù)本發(fā)明，干燥裝置(3)以這樣的方式配置在燃料電池操作模式下，所述裝置在至少等于60°C的溫度下進行操作，并且通過至少部分地存儲從在氣體產(chǎn)生/存儲模式下穿過它的氣體中提取的水分，來至少部分地提供在燃料電池操作模式下穿過它的氣體的加濕。
文檔編號H01M8/18GK103250292SQ201180058693
公開日2013年8月14日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者D·奧爾斯莫爾 申請人:米其林集團總公司, 米其林研究和技術(shù)股份有限公司