燃料電池除濕系統(tǒng)和方法
【專利摘要】提供一種對(duì)燃料電池除濕的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括具有陽(yáng)極室和陰極室的燃料電池。在燃料電池關(guān)閉后，水蒸氣可能存留在陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)。該系統(tǒng)包括除濕劑源，除濕劑源含有吸濕水解化學(xué)制品，例如鈉硅膠或鈉硅化物。除濕劑源以選擇性流體連通的方式與陽(yáng)極室操作性地連接。當(dāng)燃料電池關(guān)閉時(shí)，能夠防止空氣進(jìn)入陽(yáng)極室，并且允許除濕劑源與陽(yáng)極室之間的流體連通，使得吸濕水解化學(xué)制品與陽(yáng)極室中的水蒸氣反應(yīng)，以產(chǎn)生氫。在燃料電池關(guān)閉期間，可以使用氫來(lái)使陽(yáng)極室和陰極室增壓以及清除陽(yáng)極室中的污染物和水蒸氣。該系統(tǒng)能夠延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。
【專利說(shuō)明】燃料電池除濕系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2010年12月13日提交的名稱為“FUEL CELL DEHUMIDIFICATIONSYSTEM AND METHOD”的美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.12/966, 564的優(yōu)先權(quán)，其通過(guò)引用以其整體并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]實(shí)施方式總體上涉及燃料電池，并且更具體地涉及在燃料電池的陽(yáng)極室和/或陰極室內(nèi)形成液態(tài)水的燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0004]燃料電池生成可以在各種應(yīng)用中使用的電能。構(gòu)成為具有質(zhì)子交換膜的燃料電池(PEM燃料電池)具有附連在陽(yáng)極室和陰極室之間的部分由固體電解質(zhì)構(gòu)成的離子交換膜。為了通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，而對(duì)陽(yáng)極供應(yīng)氫并對(duì)陰極供應(yīng)空氣。氫和空氣中的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。燃料電池中的能量生成的電化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物之一是水蒸氣。
[0005]燃料電池的使用壽命可能受到燃料電池系統(tǒng)關(guān)閉后殘留在陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)的水蒸氣的冷凝的不利影響。通常，蒸氣形式的水對(duì)燃料電池性能沒(méi)有不利影響。然而，在關(guān)閉期間，燃料電池陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)的剩余反應(yīng)氣體是富水蒸氣的。隨著燃料電池的溫度降低并接近大氣溫度，燃料電池陽(yáng)極室和陰極室中的水蒸氣會(huì)冷凝，可能引起使膜電極組件(MEA)被水淹和損壞，從而降低燃料電池性能和耐用性。這種水淹在采用重整作為燃料電池系統(tǒng)的氫源時(shí)會(huì)是尤其有問(wèn)題的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)重整獲得的氫帶有相對(duì)較高的水蒸氣濃度。
[0006]關(guān)閉期間除去水蒸氣的一種解決方案是用惰性干燥氣體例如二氧化碳或氮或者用干燥的燃料凈化陽(yáng)極室和陰極室。這些解決方案因?yàn)樾枰S系統(tǒng)攜帶儲(chǔ)存凈化氣體，這增加了系統(tǒng)的重量并導(dǎo)致更加頻繁的燃料補(bǔ)給，所以具有缺點(diǎn)。而且，如果使用氣體燃料，則凈化導(dǎo)致整體工作效率的浪費(fèi)和損失。另一方面，對(duì)于使用液體燃料的系統(tǒng)而言，因?yàn)槿剂蠈⒈仨氃谝氲饺剂想姵刂兄氨恢卣蛘舭l(fā)，所以凈化方法更加復(fù)雜。這兩種工藝都消耗燃料，從而導(dǎo)致了較低的系統(tǒng)效率。
[0007]因此需要能夠使這樣的擔(dān)心最小的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的實(shí)施方式涉及燃料電池除濕的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，提供一種燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有陽(yáng)極室和陰極室的燃料電池。該系統(tǒng)還包括以選擇性流體連通的方式與燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接的氫源。在燃料電池工作期間，向燃料電池的陽(yáng)極室供應(yīng)來(lái)自氫源的氫，并且在燃料電池關(guān)閉期間，限制氫向燃料電池的陽(yáng)極室的供應(yīng)。該系統(tǒng)還包括含有吸濕水解化學(xué)制品的除濕劑源，其中除濕劑源以選擇性流體連通的方式與燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接。在燃料電池關(guān)閉期間，允許除濕劑源與陽(yáng)極室之間的流體連通，使得吸濕水解化學(xué)制品與陽(yáng)極室中的水蒸氣反應(yīng)。
[0009]在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，提供一種燃料電池系統(tǒng)的除濕方法，燃料電池系統(tǒng)包括:燃料電池，具有在其中具有水蒸氣的陽(yáng)極室、陰極室；氫源；和除濕劑源，其中氫源以選擇性流體連通的方式與燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接，并且其中除濕劑源以選擇性流體連通的方式與燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接。該方法包括以下步驟:在燃料電池關(guān)閉期間限制氫向陽(yáng)極室的供應(yīng)，并且選擇性地允許陽(yáng)極室與除濕劑源之間的流體連通，使得除濕劑與陽(yáng)極室中的水蒸氣反應(yīng)，以產(chǎn)生使陽(yáng)極室增壓的氣體。
[0010]在各實(shí)施方式中，吸濕水解化學(xué)制品是氫化物、硅化物、或堿硅膠例如鈉硅膠(Na [Si02_n(0H) J)或鈉硅化物(NaSi)中的一種。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是第一燃料電池除濕系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
[0012]圖2是第二燃料電池除濕系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
[0013]圖3是第三燃料電池除濕系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。
[0014]圖4是表示燃料電池工作10年所需要的鈉硅化物的質(zhì)量相對(duì)于陽(yáng)極室和/或陰極室的體積的關(guān)系的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0015]實(shí)施方式涉及燃料電池除濕系統(tǒng)和方法。將與各種可能的系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的操作方法一起說(shuō)明各方面，但是詳細(xì)描述旨在僅為示例性的。在圖1-圖4中示出了實(shí)施方式，但是實(shí)施方式不限于圖示的結(jié)構(gòu)或應(yīng)用。將認(rèn)識(shí)到為了圖示的簡(jiǎn)單和清楚，在適當(dāng)時(shí)，在不同的附圖之間重復(fù)參考標(biāo)記來(lái)指示對(duì)應(yīng)的或類似的元件。此外，為了提供本文中所描述的實(shí)施方式的全面理解，而提出了許多具體細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，本文中所描述的實(shí)施方式可以不具有這些具體細(xì)節(jié)地實(shí)施。
[0016]可以使用本文描述的實(shí)施方式來(lái)去除或減少燃料電池的陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)的濕氣。圖1表示燃料電池除濕系統(tǒng)10的一個(gè)示例。該系統(tǒng)可以包括燃料電池12、氫源14和除濕劑源16。
[0017]燃料電池12可以包括陽(yáng)極室18和陰極室20。燃料電池12可以包括單個(gè)電池，或者它可以包括多個(gè)電池。燃料電池12可以是任何類型的燃料電池，包括例如低溫PEM燃料電池、高溫PEM燃料電池、或磷酸燃料電池。陽(yáng)極室18可以具有入口 22和出口 24。同樣，陰極室20可以具有入口 26和出口 28。
[0018]如上所述，系統(tǒng)10還包括氫源14。氫源14可以含有任何適當(dāng)形式的氫48。氫48可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞疆a(chǎn)生，例如通過(guò)重整、水解、電解、光解、光電解、光電催化、生物降解、熱解等。氫48可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞焦?yīng)至氫源14。
[0019]氫48可能是潮濕的。也就是，從氫源14可獲得的氣體將至少包括某一最低量的水蒸氣49。氫48的濕度可以由于一個(gè)或更多個(gè)因素。例如，該濕度可以是燃料電池12的水管理要求的結(jié)果，或者它可以是燃料生產(chǎn)的結(jié)果，或者它可以是產(chǎn)物水從陰極側(cè)擴(kuò)散的結(jié)果。氫源14可以以選擇性流體連通的方式與燃料電池12的陽(yáng)極室18連接。這種連接可以使用任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，第一導(dǎo)管30可以在氫源14和陽(yáng)極室18的入口 22之間延伸。僅列舉幾種可能性，第一導(dǎo)管30可以是管道、配管和/或一個(gè)或更多個(gè)配件。
[0020]可以選擇性地控制氣體在氫源14與陽(yáng)極室18之間的流動(dòng)。流動(dòng)的這種選擇性控制可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，可以在氫源14和陽(yáng)極室18之間例如沿著第一導(dǎo)管30操作性地定位第一閥32。
[0021]第一閥32可以是任何適當(dāng)類型的閥。在一個(gè)操作模式中，第一閥32可以處于限制氫源14與陽(yáng)極室18之間的流體連通的閉合位置。在另一個(gè)操作模式中，第一閥32可以處于允許氫源14與陽(yáng)極室18之間的流體連通的一個(gè)或更多個(gè)打開(kāi)位置。
[0022]控制器34可以與第一閥32操作性地連接?？刂破?4可以選擇性地改變第一閥32的操作模式?？刂破?4可以是可編程的。因此，可以將控制器34編程為，以在出現(xiàn)預(yù)定條件時(shí)或響應(yīng)于來(lái)自操作者的指令來(lái)激活第一閥32。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制器34可以與第一閥34形成為一體。控制器34可以接收任何適當(dāng)方式的編程。
[0023]如上所述，系統(tǒng)10包括除濕劑源16。除濕劑源16可以是其中能夠儲(chǔ)存吸濕水解化學(xué)制品17的罐、盒、容器、室或其它適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)奈鼭?水解化學(xué)制品17。例如，吸濕/水解化學(xué)制品17可以是氫化物、硅化物或能通過(guò)水解產(chǎn)生氫的其它適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)制品。在一個(gè)實(shí)施方式中，吸濕/水解化學(xué)制品17可以是鈉硅化物(NaSi)，其是吸濕的固體并且具有與水的高反應(yīng)性。在另一個(gè)實(shí)施方式中，吸濕/水解化學(xué)制品17可以是堿金屬硅膠。例如，比如鈉硅膠(Na[Si02_n(0H)n])。
[0024]除濕劑源16可以以流體連通的方式與燃料電池12的陽(yáng)極室18操作性地連接。這樣的操作性連接可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，第二導(dǎo)管36可以在除濕劑源16與陽(yáng)極室18的入口 22之間延伸。僅列舉幾種可能性，第二導(dǎo)管36可以是管道、配管和/或一個(gè)或更多個(gè)配件。在一些實(shí)施方式中，第一導(dǎo)管30和第二導(dǎo)管36可以在超過(guò)閥38的任意點(diǎn)處合并。
[0025]可以選擇性地控制水蒸氣從陽(yáng)極室18向除濕劑源16的流動(dòng)以及氫氣從除濕劑源16向陽(yáng)極室18的流動(dòng)。流動(dòng)的這種選擇性控制可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，可以在除濕劑源16與陽(yáng)極18之間例如沿著第二導(dǎo)管36操作性地定位第二閥38?？刂破?41可以操作性地與第二閥38連接。第一閥32和控制器34的上述討論同樣適用于第二閥38和控制器341。第二閥38可以具有專用于該第二閥38的單獨(dú)的控制器341，或者可以具有與第一閥32和第二閥38都操作性地連接的單個(gè)控制器。
[0026]陽(yáng)極室18中的氣體可以從陽(yáng)極室18中以任何適當(dāng)?shù)姆绞脚懦?。例如，?yáng)極排氣40可以通過(guò)陽(yáng)極排氣導(dǎo)管42從陽(yáng)極室18中排出，陽(yáng)極排氣導(dǎo)管42例如可以是通氣管44。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將陽(yáng)極排氣40釋放到大氣中。替代地或附加地，陽(yáng)極排氣40可以用于系統(tǒng)10中的其它有益的用途。
[0027]可以選擇性地控制陽(yáng)極排氣40沿著陽(yáng)極排氣導(dǎo)管42的流動(dòng)。陽(yáng)極排氣40的流動(dòng)的這種選擇性控制可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，可以沿著陽(yáng)極排氣導(dǎo)管42操作性地定位第三閥46?？刂破?411可以操作性地與第三閥46連接。第一閥32和控制器34的上述討論同樣適用于第三閥46和控制器3411。第三閥46可以具有專用于該第三閥46的單獨(dú)控制器3411。替代地，可以具有操作性地與第三閥46以及第一閥32和/或第二閥38連接的單個(gè)控制器。
[0028]既然已經(jīng)描述了系統(tǒng)10的第一實(shí)施方式的單個(gè)部件，那么下文將描述系統(tǒng)10的操作的示例。在燃料電池12的操作期間，第一閥32可以處于打開(kāi)位置。結(jié)果，包括干燥的氫48、氫48和水蒸氣49或重整氣體的來(lái)自氫源14的氫可以流到陽(yáng)極室18。氫48可以以任何已知的方式在燃料電池12中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的情況下，氫可以在陽(yáng)極室18中離解成氫離子和電子。氫離子可以從陽(yáng)極室18通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極室20。電子可以通過(guò)外部電路被引導(dǎo)到陰極室?？梢酝ㄟ^(guò)在陰極室20處混合氫離子、電子和氧來(lái)驅(qū)動(dòng)放熱的電化學(xué)反應(yīng)，以生成水、熱和電。
[0029]如上所述，來(lái)自氫源14的氣體可以具有一定程度的濕度。結(jié)果是，當(dāng)燃料電池12工作時(shí)，水蒸氣49將存在于陽(yáng)極室18中。在燃料電池工作期間，第二閥38處于閉合位置，從而防止吸濕水解化學(xué)制品與陽(yáng)極室18中所含的水蒸氣49發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)用于正確的燃料電池操作的氫凈化率，第三閥46可以處于打開(kāi)或閉合位置。
[0030]當(dāng)燃料電池12關(guān)閉時(shí)，第一閥32和第二閥46可以處于閉合位置。結(jié)果防止了空氣進(jìn)入燃料電池12的陽(yáng)極室18。第三閥38可以處于打開(kāi)位置，以允許除濕劑源16與燃料電池12的陽(yáng)極室18之間的流體連通。
[0031]當(dāng)?shù)谌y38打開(kāi)時(shí)，來(lái)自陽(yáng)極室18的包括水蒸氣49的氣體可以在導(dǎo)管36中擴(kuò)散到除濕劑源16。然后吸濕水解化學(xué)制品17能夠與陽(yáng)極室18中所含的水蒸氣49反應(yīng)，由此產(chǎn)生氫491。氫491然后能夠通過(guò)導(dǎo)管36流到陽(yáng)極室18中。例如，如上所述，吸濕水解化學(xué)制品17可以是鈉硅化物(NaSi)，其是具有與水的高反應(yīng)性的吸濕固體。在這樣的情況下，鈉硅化物能夠自發(fā)地與燃料電池12的陽(yáng)極室18中存在的水蒸氣反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物是氫和娃酸鈉(Na2Si2O5)。反應(yīng)如下所示:
[0032]2NaSi+5H20 — 5H2+Na2Si205
[0033]已經(jīng)表明該反應(yīng)在低于約400攝氏度的溫度下發(fā)生時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。通過(guò)控制第三閥46，在燃料電池12關(guān)閉期間，可以使用作為反應(yīng)的氣體產(chǎn)物的氫來(lái)使陽(yáng)極室18增壓以及清除陽(yáng)極室18中的污染物和水蒸氣49。這樣的行為能夠幫助保護(hù)燃料電池12以及延長(zhǎng)其使用壽命。與吸濕水解化學(xué)制品17的反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的硅酸鈉或其它反應(yīng)產(chǎn)物也可以通過(guò)吸附來(lái)減少陽(yáng)極室18中的水量。
[0034]吸濕水解化學(xué)制品17與水蒸氣49的反應(yīng)速度將隨著陽(yáng)極室中水的分壓的降低而降低。該影響可以隨著燃料電池12的溫度接近環(huán)境溫度而被平衡，從而增加陽(yáng)極室18中水蒸氣49的分壓。該狀態(tài)能夠確保獲得適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速度，以在整個(gè)關(guān)閉期間降低燃料電池12的陽(yáng)極室18中的水冷凝。
[0035]雖然前述描述涉及燃料電池12的陽(yáng)極室18的除濕，然而將認(rèn)識(shí)到燃料電池12的陽(yáng)極室18和陰極室20都可以被除濕。圖2表示對(duì)燃料電池12的陽(yáng)極室18和陰極室20都除濕且凈化的系統(tǒng)IO1的實(shí)施方式。關(guān)于圖1中所示的系統(tǒng)10進(jìn)行的上述描述可以同樣適用于圖2中所示的系統(tǒng)101。因此，下面的描述將涉及結(jié)構(gòu)和/或操作方面的不同。
[0036]除濕劑源16除了與陽(yáng)極室18還與燃料電池12的陰極室20以流體連通的方式操作性地連接。這種操作性連接可以使用任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，可以設(shè)置第三導(dǎo)管50。在一個(gè)實(shí)施方式中，如圖2所示，第三導(dǎo)管50可以與第二導(dǎo)管36成分支關(guān)系地設(shè)置。第三導(dǎo)管50可以在一端與第二導(dǎo)管36處于流體連通，并在其另一端與燃料電池12的陰極室20處于流體連通。為了防止在燃料電池工作期間來(lái)自陽(yáng)極室18的氣體和來(lái)自陰極室20的氣體混合，第六閥381和第七閥3811取代了前面實(shí)施方式中的第二閥38。陽(yáng)極室18和陰極室20的分離可以以任何其他適當(dāng)?shù)氖侄蝸?lái)實(shí)現(xiàn)。
[0037]控制器34v和34VI可以分別與閥381和3811操作性地相關(guān)聯(lián)。第一閥32和控制器34的上述討論同樣適用于閥381和3811以及控制器34v和34VI。與這些閥中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的控制器是專用控制器或可以是操作性地連接其它閥的中央控制器。
[0038]替代地，第二導(dǎo)管36和第三導(dǎo)管50可以彼此完全分離。例如，第二導(dǎo)管36可以操作性地連接在除濕劑源16和陽(yáng)極室18之間，而第三導(dǎo)管50可以操作性地連接在除濕劑源16和陰極室20之間。在這樣的情況下，可以沿著每一個(gè)導(dǎo)管36、50配置閥，以控制氣體和水蒸氣通過(guò)導(dǎo)管36和50中的每一個(gè)相對(duì)于吸濕水解化學(xué)制品17的流入和流出。
[0039]值得注意的是，吸濕水解化學(xué)制品17不流動(dòng)，而是留存在除濕劑源16內(nèi)。與此相對(duì)，允許留存在陽(yáng)極室18和陰極室20中的氣體流到吸濕水解化學(xué)制品17并通過(guò)吸濕水解化學(xué)制品17。在這樣的結(jié)構(gòu)中，這種流動(dòng)將主要通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生。然而，在一些實(shí)施方式中，可以通過(guò)使用泵、鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)(未圖示)提供強(qiáng)制對(duì)流。
[0040]而且，系統(tǒng)IO1可以包括氧源或空氣源52。空氣源52可以與陰極室20流體連通。在一個(gè)實(shí)施方式中，空氣源52可以是環(huán)境空氣?？梢砸匀魏芜m當(dāng)?shù)姆绞较蜿帢O室20供應(yīng)空氣53。例如，可以使用空氣循環(huán)裝置54例如壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)，來(lái)促進(jìn)空氣向陰極室20的移動(dòng)。
[0041]空氣源52以流體連通的方式與燃料電池12的陰極室20的入口 26操作性地連接。這種操作性的連接可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，第四導(dǎo)管56可以在空氣源52和燃料電池12的陰極室20的入口 26之間延伸。僅列舉幾種可能性，第四導(dǎo)管56可以是管道、配管和/或一個(gè)或更多個(gè)配件。
[0042]可以選擇性地控制空氣源52與陰極室20之間的空氣流動(dòng)。流動(dòng)的這種選擇性控制可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，可以在空氣源52和陰極室20之間例如沿著第四導(dǎo)管56操作性地定位第四閥58?？刂破?4111可以與第四閥58操作性地相關(guān)聯(lián)。第一閥32和控制器34的上述討論同樣適用于第四閥58和控制器34111。與第四閥58相關(guān)聯(lián)的控制器可以是專用于第四閥58的單獨(dú)的控制器34111，或者也可以是與第四閥58以及第一閥32、第六閥381、第七閥3811和/或第三閥46操作性地連接的中央控制器。
[0043]陰極排氣60可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞诫x開(kāi)陰極室20。例如，陰極排氣60可以通過(guò)陰極排氣導(dǎo)管62從陰極室20離開(kāi)，陰極排氣導(dǎo)管60例如可以是通氣管64。陰極排氣60可以釋放到大氣中和/或用于系統(tǒng)IO1中的其它用途。
[0044]可以選擇性地控制陰極排氣60沿著陰極排氣導(dǎo)管62的流動(dòng)。流動(dòng)的這種選擇性控制可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。例如，可以沿著陰極排氣導(dǎo)管62操作性地定位第五閥66?？刂破?4IV可以與第五閥66操作性地相關(guān)聯(lián)。第一閥32和控制器34的上述討論同樣適用于第五閥66和控制器34IV。可以具有與第五閥66操作性地連接的專用控制器34IV。替代地，可以具有與第五閥66以及第一閥32、第六閥381、第七閥3811、第三閥46和/或第四閥58操作性地連接的中央控制器。
[0045]在圖2中所示的燃料電池系統(tǒng)IO1的工作期間，第一閥32、第四閥58和第五閥66可以處于打開(kāi)位置。第三閥46可以根據(jù)維持正確的燃料電池工作所需要的陽(yáng)極室18氣體凈化的速度而于打開(kāi)位置或閉合位置。結(jié)果是，來(lái)自空氣源52的氧(氧化劑)和來(lái)自氫源14的氫(燃料)能夠進(jìn)入燃料電池12，在燃料電池12處發(fā)生電化學(xué)氧化。當(dāng)燃料電池工作時(shí)，第六閥381和第七閥3811保持關(guān)閉。
[0046]在關(guān)閉期間，第一閥32和第四閥58處于閉合位置。第六閥381和第七閥3811處于打開(kāi)位置，以允許吸濕水解化學(xué)制品17和陽(yáng)極室18以及陰極室20之間的操作性流體連通，并且以將允許陽(yáng)極室18中所含的水蒸氣49和陰極室20中所含的水蒸氣4911與吸濕水解化學(xué)制品發(fā)生反應(yīng)的方式。第三閥46和第五閥66可以處于打開(kāi)位置或閉合位置，或者可以在打開(kāi)位置和閉合位置之間交替，以根據(jù)需要調(diào)節(jié)陽(yáng)極室18和陰極室20的氣體壓力，或者根據(jù)需要利用通過(guò)吸濕水解化學(xué)制品17與陽(yáng)極室18中所含的水蒸氣49和陰極室20中所含的產(chǎn)物水蒸氣4911的水解反應(yīng)而釋放的氣體來(lái)凈化陽(yáng)極室18和陰極室20。注意在該結(jié)構(gòu)中，陽(yáng)極室18和陰極室20中的水蒸氣49、49n反應(yīng)以廣生氣491,M1 491然后將留存在室18和20中的氣體稀釋，并且使這些室充滿氫491。一旦第六閥381和第七閥3811打開(kāi)，燃料電池24的陰極室20和陽(yáng)極室18就處于有效的流體連接，這使得陽(yáng)極室18和陰極室20之間的壓力相等。
[0047]為了優(yōu)化燃料電池12的關(guān)閉，可以改變閥32,38^38^46,58和66在打開(kāi)位置和閉合位置之間的選擇性移動(dòng)。例如，陽(yáng)極室18的除濕、凈化和隔離可以至少部分地與陰極室20的除濕、凈化和隔離同時(shí)發(fā)生。替代地，陽(yáng)極室18的除濕、凈化和隔離可以與陰極室20的除濕、凈化和隔離在不同的時(shí)間發(fā)生。例如，陽(yáng)極室18的除濕、凈化和隔離可以發(fā)生在陰極室20的除濕、凈化和隔離之前或之后。燃料電池12的最終關(guān)閉可以在從陽(yáng)極室18和陰極室20中去除了所有的水時(shí)和陽(yáng)極室18和陰極室20都充滿了通過(guò)除濕劑16中的水解反應(yīng)而產(chǎn)生的氫時(shí)發(fā)生。因?yàn)檫@能夠在燃料電池12關(guān)閉時(shí)完全阻止燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，所以這可以是期望的。此時(shí)，燃料電池12的電壓應(yīng)該大約是零。
[0048]為了啟動(dòng)圖2的燃料電池系統(tǒng)101，而可以以允許控制量的空氣進(jìn)入陰極室20中的方式打開(kāi)第四閥58和第五閥66。大部分燃料電池使用鉬基催化劑作為膜電極組件(MEA)中的它們的陽(yáng)極和陰極電極的一部分。這些催化劑總體上是非常高效的，并且在陰極室20中存在少量氧時(shí)會(huì)觸發(fā)氫的氧化反應(yīng)。氧化反應(yīng)可以在燃料電池12的陰極室20內(nèi)部發(fā)生。由于該反應(yīng)是極端放熱的，所以可以用來(lái)以受控方式升高燃料電池12的溫度，直到達(dá)到燃料電池12的工作溫度。高的催化劑表面積能夠增加燃料電池12的加熱速度。
[0049]也可以使用通過(guò)水解反應(yīng)生成氫來(lái)降低燃料電池12的溫度下降速度。這對(duì)于在高溫下工作的燃料電池12是尤其重要的，例如高溫PEM燃料電池和磷酸燃料電池，因?yàn)樗梢越档蛦?dòng)時(shí)間和能量要求。在圖3中示出了這樣的系統(tǒng)IOn的一個(gè)示例。關(guān)于圖1和圖2中所示的系統(tǒng)IOUO1進(jìn)行的上述描述可以同樣適用于圖3中所示的系統(tǒng)1011。下面的描述將涉及結(jié)構(gòu)和/或操作方面的不同。
[0050] 系統(tǒng)IOn可以包括燃燒室68?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)娜紵?8。在一個(gè)實(shí)施方式中，燃燒室68可以是催化燃燒室。在另一個(gè)實(shí)施方式中，燃燒室68可以是非催化燃燒室。燃燒室68可以以選擇性流體連通的方式與陽(yáng)極室18操作性地連接，使得能夠?qū)⒅辽僖徊糠株?yáng)極排氣40供應(yīng)至燃燒室68。燃燒室68能夠氧化陽(yáng)極排氣40。
[0051]在關(guān)閉期間，通過(guò)允許水解反應(yīng)發(fā)生并且生成通過(guò)第二閥38、陽(yáng)極室18和第三閥46排出到燃燒室68中的氫，能夠減少燃料電池12的溫度下降。燃燒室68所產(chǎn)生的熱量可以傳遞回燃料電池12以維持其溫度。因此，燃燒室68能夠以熱交換的關(guān)系與燃料電池12操作性地相關(guān)聯(lián)。這種熱傳遞可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。隨著陽(yáng)極室18中的水被消耗，析氫的速度會(huì)降低，從燃燒室68產(chǎn)生的熱量也會(huì)減少。
[0052]在燃料電池除濕系統(tǒng)IOUOiUO11的任何一個(gè)實(shí)施方式中，用于系統(tǒng)KKIOiUO11的除濕劑量在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)會(huì)是重要的考慮因素。該量將基于所采用的關(guān)閉策略以及陽(yáng)極室18和陰極室20的物理體積而改變。圖4呈現(xiàn)了對(duì)于各種陰極室或陽(yáng)極室或組合的陰極和陽(yáng)極室體積，在預(yù)計(jì)的燃料電池工作10年期間，所消耗的鈉硅化物(NaSi)的量的圖表。構(gòu)成該圖表的基礎(chǔ)的分析假設(shè)引入到電池組中的氫被18% v/v的水蒸氣(對(duì)于重整氫是典型的)稀釋，以及系統(tǒng)消耗足夠的水蒸氣以在每次關(guān)閉時(shí)凈化五次體積。還假設(shè)系統(tǒng)每天關(guān)閉和啟動(dòng)四次。結(jié)果表明對(duì)于幾乎所有可能的燃料電池系統(tǒng)而言，所需要的鈉硅化物的量會(huì)是相對(duì)較小的，小于2磅。
[0053]用于燃料電池的除濕系統(tǒng)能夠提供許多優(yōu)點(diǎn)。例如，除濕系統(tǒng)甚至在非常低的水分壓下也能夠高效地除去水蒸氣。因?yàn)樵陉P(guān)閉期間需要去除的水的通常的量低，所以在每次燃料電池關(guān)閉時(shí)由水解消耗的氫化物、硅化物或其它化學(xué)制品的量也低。因此，吸濕水解化學(xué)制品的機(jī)載重量和更換率低。
[0054]以上關(guān)于燃料電池除濕系統(tǒng)和方法描述了示例。當(dāng)然將理解實(shí)施方式并不限于本文中描述的具體細(xì)節(jié)，具體細(xì)節(jié)僅以示例的方式給出，并且在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)能夠進(jìn)行各種變更和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池，具有陽(yáng)極室和陰極室； 氫源，該氫源以選擇性流體連通的方式與所述燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接，由此在燃料電池工作期間，將來(lái)自所述氫源的氫供應(yīng)至所述燃料電池的陽(yáng)極室，并且由此在燃料電池關(guān)閉期間，限制氫向所述燃料電池的陽(yáng)極室的供應(yīng)；和 除濕劑源，含有吸濕水解化學(xué)制品，該除濕劑源以選擇性流體連通的方式與所述燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接，由此在燃料電池關(guān)閉期間，允許所述除濕劑源與所述陽(yáng)極室之間的流體連通，使得所述吸濕水解化學(xué)制品與所述陽(yáng)極室中的水蒸氣反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述吸濕水解化學(xué)制品是鈉硅膠(Na[Si02_n(0H)J)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述吸濕水解化學(xué)制品是鈉硅化物(NaSi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括操作性地定位在所述氫源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的第一閥，以提供所述氫源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的選擇性流體連通，所述閥包括允許所述氫源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的流體連通的打開(kāi)位置和限制所述氫源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的流體連通的閉合位置，由此在燃料電池工作期間，所述閥能眵處于打開(kāi)位置，并且在燃料電池關(guān)閉期間，所述閥能眵處于閉合位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括操作性地定位在所述除濕劑源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的閥，以提供所述除濕劑源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的選擇性流體連通，所述閥包括允許所述除濕 劑源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的流體連通的打開(kāi)位置和限制所述除濕劑源與所述燃料電池的陽(yáng)極室之間的流體連通的閉合位置，由此在燃料電池關(guān)閉期間，所述閥能夠處于打開(kāi)位置，并且在燃料電池工作期間，所述閥能夠處于閉合位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括相對(duì)于所述燃料電池的陽(yáng)極室的出口操作性地定位的閥，以提供與所述燃料電池的陽(yáng)極室的選擇性流體連通，所述閥包括允許與所述燃料電池的陽(yáng)極室的流體連通的打開(kāi)位置和限制與燃料電池的陽(yáng)極室的流體連通的閉合位置，由此在燃料電池工作期間，所述閥能夠處于打開(kāi)位置，并且在燃料電池關(guān)閉期間，所述閥能夠處于閉合位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述除濕劑源以選擇性流體連通的方式與所述陰極室操作性地連接，由此在燃料電池關(guān)閉期間，允許所述除濕劑源與所述陰極室之間的流體連通，使得所述吸濕水解化學(xué)制品與所述陰極室中的水蒸氣反應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括與所述陰極室選擇性流體連通的空氣源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括操作性地定位在所述空氣源和所述燃料電池的陰極室之間的閥，以提供所述空氣源和所述燃料電池的陰極室之間的選擇性流體連通，所述閥包括允許所述空氣源和所述陰極室之間的流體連通的打開(kāi)位置和限制所述空氣源和所述陰極室之間的流體連通的閉合位置，其中在燃料電池工作期間，所述閥處于打開(kāi)位置，并且在燃料電池關(guān)閉期間，所述閥處于閉合位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括操作性地定位以將空氣從所述空氣源移動(dòng)到所述陰極室的空氣循環(huán)裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括操作性地定位成與所述陽(yáng)極室選擇性流體連通的燃燒室，由此能夠?qū)λ鋈紵夜?yīng)至少一部分陽(yáng)極排氣以產(chǎn)生熱量，所述燃燒室操作性地定位成與所述燃料電池成熱交換關(guān)系，由此使由所述燃燒室產(chǎn)生的至少一部分熱量傳遞回所述燃料電池，以維持其溫度。
12.一種燃料電池系統(tǒng)的除濕方法，該系統(tǒng)包括:燃料電池，具有陽(yáng)極室和陰極室，所述陽(yáng)極室中具有水蒸氣；氫源；和除濕劑源，所述氫源以選擇性流體連通的方式與所述燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接，所述除濕劑源以選擇性流體連通的方式與所述燃料電池的陽(yáng)極室操作性地連接，所述方法包括以下步驟: 在燃料電池關(guān)閉期間，限制氫向所述陽(yáng)極室的供應(yīng)；和 選擇性地允許所述陽(yáng)極室與所述除濕劑源之間的流體連通，使得除濕劑與所述陽(yáng)極室中的水蒸氣反應(yīng)，以產(chǎn)生使所述陽(yáng)極室增壓的氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括選擇性地允許所述陽(yáng)極室與所述陽(yáng)極室的外部之間的流體連通以便于凈化來(lái)自所述陽(yáng)極室的氣體的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括下面的步驟: 向燃燒室供應(yīng)至少一部分凈化后氣體，其中所述燃燒室產(chǎn)生熱量；和 將至少一部分熱量傳遞至所述燃料電池。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述陰極室中具有水蒸氣，并且還包括下面的步驟: 選擇性地允許空氣源與所述陰極室之間的流體連通；和 選擇性地允許所述陰極室與所述除濕劑源之間的流體連通，使得除濕劑與所述陰極室中的水蒸氣反應(yīng)，由此產(chǎn)生使所述陰極室增壓的凈化氣體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中選擇性地允許所述陰極室與所述除濕劑源之間的流體連通的步驟在與選擇性地允許所述陽(yáng)極室與所述除濕劑源之間的流體連通的步驟不同的時(shí)間進(jìn)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括選擇性地允許所述陰極室與所述陰極室的外部之間的流體連通以便于從所述陰極室中排出凈化氣體的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括下面的步驟: 起動(dòng)所述燃料電池； 選擇性地限制所述陽(yáng)極室與所述除濕劑源之間的流體連通；和 選擇性地允許濕氫源與所述陽(yáng)極室之間的流體連通。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK103534856SQ201180059773
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2011年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2010年12月13日
【發(fā)明者】D·C·貝茨, V·斯坦尼克 申請(qǐng)人:能源燃料公司