CN1666372A - 对燃料电池***中水平衡的调整 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对燃料电池***的阳极回路中的流体平衡进行控制的方法。采用该方法时在一冷凝装置中对至少阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体和将冷凝出的液体输送给燃料电池***的阳极回路。本发明还涉及一种根据本发明的方法的原理设置的燃料电池***。

Description

对燃料电池***中水平衡的调整
技术领域
本发明涉及一种在燃料电池***的阳极回路中的流体平衡控制的方法。采用该方法时对至少在冷凝装置中的阴极排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体和将冷凝出的液体输送给燃料电池***的阳极回路。其中不需要对阳极回路进行主动冷却。
背景技术
在许多燃料电池***中在阳极端不是采用纯燃料，而是采用通常用水稀释的燃料混合物，所述燃料混合物在穿流过燃料电池时被消耗。所述燃料例如是甲醇、乙醇、三氧杂环己烷、二甲氧基甲烷、三甲氧基甲烷和二甲醚。但大多数情况并不能完全消耗掉。为了可以利用该未被用尽的燃料和为了省掉外部的供水，采用阳极回路流工作，其中对被消耗的燃料混合物通过添加燃料重新增浓并重新输送给阳极端。
所述的回路流当然涉及的不是一种闭合回路。一方面必须将反应产物(废物)从回路中排放掉并补充被消耗掉的燃料，另一方面必须对水的损耗进行补偿，所述水损耗是由于水从阳极端到达阴极端(Water Drag)和与废气一起排出造成的。
为了保持***中水量的恒定或为了可以对***中水量的偏差进行修正，保留在阴极端出现的一部分水并以液体形式重新输送给阳极回路。在排出的废气中实际排放的水量应精确地等于作为反应产物形成的或与阴极气体一起被送入的水量相等。
***对水的排放是以水蒸气饱和的废气形式和以液体形式实现的，后者可以简单地被重新输送到流体回路。如果不采取其它的措施势必由于***中产生的热在废气端会产生大于为保持恒定的水量允许排放的水量的水蒸气。
为了减少作为水蒸气形式的水量和实现被补偿的水平衡，通常将把***的工作温度降低到使废气携带的水蒸气量精确地与多余的水量(即作为反应产物形成的水或从外部，例如送入空气时加入的水量)相符的程度。
为了实现对燃料电池的冷却建立有阳极端回路流，在将废气分离出后所述回路流在重新被送给阳极之前被换热器换热。
实现水平衡所需的***温度常常很低和其与环境的温差很小，所以只有通过相应大型的和大功率的通风器支持的换热器才能实现对热充分的排放。当环境温度升高时，对于换热重要的温差很小，因而即使采取此措施也不能满足要求和必须将***断开。
发明内容
面临现有技术中存在的这些缺陷，本发明的目的在于提出经改进的用于控制燃料电池***的阳极端的流体平衡的方法，采用该方法即使在环境温度较高时也可以进行工作。本发明的另一目的在于提出相应的燃料电池***。
上述目的通过采用具有权利要求1和2所述步骤的方法，或通过采用权利要求5所述的燃料电池***得以实现。在从属权利要求中对本发明的方法和***的有益的进一步设计做了描述。
采用本发明的对燃料电池***的阳极回路中的流体平衡进行控制的方法时，首先测定说明燃料电池***中的液体量和/或液体量变化的特性测量值；根据测定的特性测量值调节冷凝装置的冷却能力和/或调节阴极端的体积流量；在冷凝装置中对阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体和将冷凝出的液体输送给燃料电池***的阳极回路。根据另一方案也对阳极端排出的气体进行冷却，确切地说，与阴极端排出的气体一起冷却，或在一个单独冷凝装置中进行冷却。尽管在阳极端(每单位时间)出现的水蒸气量通常明显地少于阴极端出现的水蒸气量，但阳极端排出的气体具有较高的燃料分量，此燃料分量通过冷凝至少可以部分被回收。
在采用通常的对阳极回路有效冷却实现对流体平衡进行控制的方法时，对阳极流进行冷却和随之间接地对整个燃料电池进行冷却，从而为了保证液体平衡使在输出端排放的流体的液体分量充分地大，与上述相反在本发明中有效地增大在阴极上排出的流体中的液体分量，以便对液体平衡进行补偿。对阳极流(或整个燃料电池的)温度不进行调整，而是自动地进行调节。所述温度在本发明的对流体平衡控制中起着从属参数的作用，但所述温度采用通常的方法时却是调整参数(独立的变量)。
本发明不仅具有对燃料电池(例如阳极回路)不需要进行有效的冷却的优点，而且在采用本发明的方法时，可以将整个***调节到较高的温度上，因此在采用本发明的方法时流体与环境之间的温差大于通常的对阳极回路冷却的方法。由于温差较大因而可以较为有效地将热排放到环境中，因而冷却装置的换热器的尺寸较小和/或对换热进行有效辅助的装置，例如通风器的功耗较小。
为了将阴极流体分离成气体分量和液体分量可以将一个相应的分离装置设置在冷凝装置的前面或后面。也可以将冷凝装置设计成具有下述功能：(1)增大液体分量，和(2)从液体中分离出气相。此点同样也适用于下面将加以描述的本发明方法的进一步设计。
最好将阴极端和阳极端排出的流体在离开燃料电池后汇集在一起和在一个共同的冷凝装置中对汇集在一起的流体的气体分量进行冷却，以便冷凝成液体并输送给燃料电池***的阳极回路。在本情况下仅需要一个冷凝装置，因而为实施本发明的方法的优选进一步设计所付出的代价不会高于仅阴极流体流过冷凝装置情况下付出的代价。
由于外部的影响(例如环境温度)和固有的过程(例如老化现象)也会对液体平衡产生影响，所以必须对冷凝出的液体量进行控制。最好此点通过对冷却装置的冷却效率的控制加以实现，例如可以采用用于控制换热强度的通风装置。
在本发明中通过测定说明燃料电池***中液体量变化的特性测量值可以早期识别出液体平衡中的这些变化，和根据测定的特性测量值对冷凝装置的冷凝效率进行调节。对此附加或另外可以根据测定的特性测量值可以通过对阴极端流体输送的体积流量的调节实现对液体平衡的修正。
例如可以采用在阳极回路中的液位传感器对液体量的变化进行监视，而不必求出变化的绝对值。这种液位传感器可以设置在立管内，或另外和优选设置在中间储罐内，在所述中间储罐内对重新输送给阳极回路的液体进行中间储存。
根据上述方法的进一步设计将经冷凝后余剩的废气-如果仅阴极端的气体流过冷凝装置，则将所述余剩的废气与阳极端的废气混合-加热到燃料电池***的燃料电池装置的温度上，因而可以将相对湿度降低到饱和值下面，和接着使其流过催化燃烧器，在催化燃烧器内燃料剩余物和中间产物被“燃烧尽”，以便减少排放中的有害物质含量。在采用通常的方法时，由于废气具有基本与***相同的温度，因而只有采用单独的加热装置和或对催化燃烧器进行加热才能充分地降低相对湿度，所以不能实现本发明的方式。
最好催化燃烧器直接地和热接触地设置在燃料电池的装置上和以此方式实现加热。
本发明的燃料电池***包括燃料电池装置；用于测定说明燃料电池***中的液体量和/或液体量变化的特性测量值的装置；至少一个冷凝装置，用于至少将阴极端排出的气体冷凝成液体；调整装置，用于根据测定的特性测量值调节冷凝装置的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量；用于将冷凝出的液体输送给燃料电池***的阳极回路的装置。
在对相应的方法说明中已经对本发明的***的优点进行了阐述，故在此不再赘述。
根据一特别优选的进一步设计，***包括用于对燃料电池装置中产生的气体进行加热的换热装置。附加或另外也可以在燃料电池装置上或在燃料电池装置内设置催化燃烧器，和利用此方式被燃料电池装置加热。首先在设置在燃料电池装置内时可以采用对流的方法通过阳极和/或阴极流体对流经催化燃烧器的气体进行加热。
在对相应的方法说明中已经对该优选的进一步设计的优点进行了阐述，为避免重复请参见有关部分。
附图说明
下面将对照附图并结合优选实施方式对本发明的其它特定和优点加以说明。图中示出：
图1为DMFC***的结构示意图(现有技术)；
图2示出一种应用于本发明方法的优选方案的燃料电池***的设置；
图3示出一种应用于用于本发明方法的第二优选方案的燃料电池***的设置；
图4示出一种应用于本发明方法的第三优选方案的燃料电池***的设置；
图5示出一种与燃料电池装置热接触的催化燃烧器；
图6示出一种设置在阳极回路内的立管，具有测定液体平衡变化的的测量装置，和
图7示出一种燃料电池***，具有带有液位传感器的中间罐。
具体实施方式
图1示意示出DMFC(直接甲醇燃料电池)***100，采用通常的方式(如本说明书开始时所述)对所述***进行冷却。
一种由溶解在水内的甲醇构成的燃料混合物被输送给直接甲醇燃料电池的阳极A，所述燃料混合物在流过电池时将消耗掉甲醇，和作为具有液体分量和气体分量的阳极流体离开阳极A。在一分离装置2中液体分量与气体分量分离，采用冷却装置(换热器)3进行冷却，用来自燃料供给装置T的甲醇进行补充，和重新输送给阳极A。
采用阳极端的液体回路实现对整个***100的冷却。在阳极输出端上输出的液体重新被输送给阳极输入端之前，处于环温上的换热器3对阳极输出端上输出的液体进行冷却。
在小功率的紧凑的DMFC***中，所示装置中的平均***温度大约为60℃。假定“正常的”环境温度为20℃时，与环境温度的温差只有40℃，此点将对换热器3提出很高的要求，所述换热器的效率大大取决于该温差的量度。
在等于和超过40℃较高的环境温度下(例如通风不好和/或密闭的室内或在阳光下)有时即使采用高效的通风器4和换热器3也不能保证热量充分被排出。出于安全技术的考虑和为了避免燃料电池受损，通常由制造厂家确定一个最高的环境温度，当高于所述温度时将不允许***继续工作。
通常采用输入环境空气的方式将氧气输送给阴极K。在通过阴极室时输送的混合气中的氧分量被减少；为此在阴极端将容纳作为反应产物产生的或从阳极A到达阴极K的水，从而仅排出阴极流体，所述阴极流体包含未被使用的空气组分和水，和由于扩散还包括CO2和甲醇(或衍生物和反应中间产物)。
在输出端上的阴极流体也包括液体的和气体的分量，所述分量在另一个分离装置5中被相互分离。液体主要由水构成和被输送给阳极回路，以便保持***100的水平衡。
通过液体分离获得的阴极和阳极端的气体作为废气被排出。除了水蒸汽外阴极端的废气还包括下述物质：不能被氧化的空气组分和剩余的氧气，以及二氧化碳和由阳极端扩散到阴极端的燃料和/或燃料衍生物、阳极端的废气：二氧化碳(作为主要成分)和未消耗掉的燃料和(作为不完全的或寄生反应的结果包含的)衍生物。
将未燃烧尽的燃料(或衍生物)排放到环境中出于健康和安全技术的考虑是不能接受的和必须加以避免。为了消除这种排放，在技术上采用所谓的催化燃烧器7，所述催化燃烧器用剩余的氧气将未燃烧尽的燃料和有机的副产物氧化。
通常废气总是被水蒸气饱和，即所述废气的相对湿度大约为100％。由于在在相对湿度为100％的情况下，催化燃烧器几乎不起作用(在这样高的湿度情况下实际总是冷凝出成水和造成对有效的催化剂面的阻塞)，在穿流过催化燃烧器7时或穿流过催化燃烧器7前必须用加热装置6对有待净化的废气流进行加热，以便将废气的相对湿度明显地降低到100％以下。
不管是对阳极回路进行冷却(通风器！)还是对废气加热(或替代方案：催化燃烧器)都需要能量，所述能量将降低***100的整体效率。
图2示意示出DMFC***200的结构，其中根据本发明的原理对水平衡进行控制。对图中相同的特征用与图1相同的附图标记加以标示。因而可以尽量不必要的重复。
在穿流过DMFC***200的燃料电池的阳极A时被消耗的燃料混合气将作为具有液体分量和气体分量的阳极流体离开阳极A。接着进行液相分量与气相分量的分离，其中气相分量重新被返回输送给阳极输入端。
加在阴极K输出端上的流体流穿流过分离装置5和接着穿流过冷凝装置150：与分离装置5不同，冷凝装置不仅将液体和气体分量进行分离，而且还以减少气体量为代价增大液体量，其中首先离析出较多的液体水。所有的液体量，即排出的阴极流体中(如果存在的)已经是液体形式的分量和由冷凝装置150冷凝的液体量被输送给阳极回路。
尽管在阳极端不设有冷却装置3，但仍可以实现***200的充分的冷却，所述冷却建立在下述效应的基础之上：
将冷凝出的液体量馈送给阳极回路；基于冷却所述液体具有低于***的温度。
在阴极端的蒸发冷却，所述蒸发冷却建立在对一部分阴极端产生的或扩散给阴极端的水进行蒸发。
作为说明举例，重新以小功率的紧凑的DMFC***为基础，在图2中所示的设置中平均***温度(即在电池内的阳极流体的温度)大约为80℃(而在图1中所示的设置中的温度大约为60℃，和其它效率数据相同)。
在设定“通常的”的环境温度为20℃的情况下，与环境的温差这时一直是60℃。这意味着：在冷凝装置150中的冷凝建立在与环境的热交换的基础之上，该明显较大的温差起着热交换的推动力的作用。因此冷凝装置150的换热器与图1所示的冷却装置3相比尺寸较小和/或具有的通风器功率较小。
即使在环境温度很高，为40℃时，对换热器的要求也与在通常的环境条件下，即在20℃时对换热器的要求类同。采用本发明的设置在温度较高时DMFC***仍可以工作。
而且本发明实现的效果不仅对液体平衡是有益的，而且对废气的排放的结果也是有益的。
与图1相比在图2所示的设置中，刚刚由***排出的废气的温度较高。
在图1中气体/液体分离过程中气体的温度不变化或在任何情况下变化不大。此点虽然也适用于图2所示的设置情况下的阳极端的废气，但阴极端的废气由于冷凝冷却其温度将会下降。
如果将阴极端的废气和阳极端的废气汇集在一起，则调节的平均总温度低于***温度。而且该废气总是水蒸气饱和的，因而用催化燃烧器7不可能实现对燃料残留物的简单的燃烧。
因此在图2所示的设置中-与上面的图1所示的设置和在下面图3的设置相同-设置有一个加热器6，利用所述加热器提高废气的温度和因而可以将相对湿度降低到饱和值以下。根据本发明的特别优选的方案在本例中(图2)和在图3所示的设置中-但不是图1所示的设置-可以采用与燃料电池接触的方式，例如以对流方式重新对废气进行加热和因此使废气混合气的相对湿度重新降低到饱和值和接着输送给催化燃烧器7，而不必为此设置一个单独的加热器6。仅在图4和5中示出本方案，当然也可以联想到对图2和3中的设置进行相应的变化。
与图1所示的设置相比，图2所示的设置的优点是在通常类似的***条件下根据本发明的原则在图2所示的设置中的***和环境之间的温差大于通常的设置(图1)的情况。由于对于热排放的效率关键的参数是热源(***)和冷却源(环境)之间的温差，所以此点是特别有益的。而且同时并不会明显地提高***温度，所以不必惧怕工作会受到不利的影响或不必对寿命会缩短加以考虑。
图3和4仅用于对本发明方法的特别优选的进一步设计加以形象地说明：对相同的特征用与图1或2的相同的附图标记加以表示。因而尽可能避免进行重复说明。在图3中示出的DMFC***300中(对图2所示的方法加以扩展)穿流过分离装置2的阳极端的流体流还将通过一个冷凝装置120。
此点同样也适用于图4所示的DMFC***400，其中当然阳极端和阴极端的流体在离开燃料电池装置410后被汇集在一起和穿流过一个共同的分离装置405和一个共同的冷凝装置450。
获得的液体被馈送给阳极回路。在与燃料电池装置410接触的对流装置460(优选甚至可以作为与燃料电池装置一体的组成部分)中对气相进行加热和因此将被重新提升到***温度上。因此可以将气体的相对湿度重新降低到饱和值以下，所以可以直接输送给催化燃烧器7。(该方法步骤也可以直接在图2和3中所示的设置中加以实现。)示意示出的设置在邻近阴极的对流装置460的设置并没有特殊的意义，确切地说，也可以将对流装置460与阳极A邻接或设置在燃料电池装置410中。由于设置的结构小，而且简单，所以优选选择后者的设置方式。
图5示出另一设置，其中催化燃烧器507通过与燃料电池装置510的接触被加热。由于气体在进入催化燃烧器507内时被迅速加热，因而采用这种设置不必设置气体的预热器，因而既不需要单独的加热器，也不需要对流装置。最好催化燃烧器与阳极范围接触和/或与燃料电池结成一体。图6示出一个设置在阳极回路中的立管660，所述立管具有一个用于求出液体平衡变化的的测量装置。由于液柱的高度比测量液体的物料流容易得多，所以这种设置是有益的。
当阳极回路中的液位升高时则表明实际的液体平衡是正的和必须增大***的水的排放。此点可以通过减少冷凝装置(或与冷凝装置配合的通风器)的效率加以实现，而且也可以增大阴极端的体积流量同样促使增大液体向环境的排出加以实现。
在图6中所示的例子中测量装置包括电气触点对661，所述电气触点对可被含有碳酸导电的阳极流体短路。多对这种触点被叠置设置，从而可以对不同的液位高度加以区分。例如可以将导电的或不导电的触点对间接地接在现有的水量上。在立管的上侧设置有一个用于对压力补偿的液体不能通过的装置，例如一个半渗透的膜片。
另一种测量方法是：
例如采用光阑的光学方法。其中通过一个或多个光阑对阳极回路中的液位进行监视。光阑基于气体或液体的不同的特性识别出液体是否存在，及其液位高度。
电容方法，所述方法建立在气体的介电常数(ε≈1)和阳极液体的介电常数(通常燃料的水溶液：ε≈80)完全不同的基础之上。通过设置在阳极回路中的两个电容器极板，根据求出的电容确定冷凝器中的液体高度。
图7示出图3所示的设置的特殊情况，其中图3的分离装置105和冷凝装置450被组合成一个流体分离单元750。
流体分离单元750具有作为主要部件的冷凝装置51、52、53、54和用于输送阴极和阳极流体的分离室55。
如图所示，冷凝装置(例如换热器)51、52、53、54设置在分离室55内和分离室55的外面(前面)。但也可以在阴极输出端和分离室55之间设置唯一一个高效的冷凝装置，或也可以将冷凝装置设置在分离室的外壁内和/或外壁上。
分离室55被分成两个流体室55a、55b：下面的流体室55a具有一个接在室的上面的范围的阳极端的流体输入装置56和流体输出装置57。上面的流体室55b具有一个阴极端的流体输入装置51，来自燃料电池装置710的阴极室的气体/液体混合物通过所述流体输入装置输入，以及一个气体输出装置58，所述装置例如可以接在一个催化燃烧器(图中未示出)上。
通过重力、大幅度下降的流速与冷凝装置52的配合在室55b的上面的范围内可以将液体部分地冷凝出和对气相和液相分量进行空间分离，其中气相分量通过气体排出装置58被排出，液体分量通过漏斗形的排出装置被排到下面。
两个流体室55a、55b被一个池槽状的液体收集装置相互分隔开，所述液体收集装置具有一个接在下室55a上的溢流管，从而使通过排出装置向下排出的液体物质被液体收集装置部分地收集和只有达到一定的液位(超过溢流管的上边缘)时才流向下面的液体室55a。
与通过流体输入装置56输入的阳极流体一起到达下面的流体室55a的气体物质可以通过在液体收集装置上的孔向上逸出，但其中必须横穿流过在其中收集的液体。其中诸如甲醇等气体成分是溶解在水内的和通过下面的流体室内的液体溢流管被输入。采用此方式被净化的废气通过漏斗管向上流向气体排出装置58。
在下面的流体室55a内另外还设有一个液位测量装置560，所述液位测量装置对液体表面的高度加以测定。由于液体内溶解有CO2，所以是导电的，因而根据是否导电测定液位：例如可以在不同的高度上设置电极对，所述电极对被液体短路。另外也可以采用作为测量值的电容器的电容或电容变化。在技术上也可以实现光学测量方法，所述光学测量方法是建立在气相和液体的不同的光学特性的基础之上的；属于这些特性的是：折射率、光吸收和光导等。例如可以成对设置二极管对，其中一个作为发射二极管和另一个作为接收二极管和利用所述二极管可以确定出在两者之间是否存在液体。
采用图7中所示的分离室55不仅可以非常有效地实现废气的净化，而且根据液位测量可以对阳极回路内的液体量的减少、未加改变或增加进行跟踪监视。在液体量变化时可以采取相应的反措施。
在图中示意示出的实施例仅用于形象地对本发明加以说明。本发明的保护范围仅由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种对燃料电池***(200)的流体平衡进行控制的方法，包括：
测定说明燃料电池***(200)中的液体量和/或液体量变化的特性测量值，
根据测定的特性测量值调节冷凝装置(150)的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量，
在冷凝装置(150)中对阴极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体，
将冷凝出的液体输送给燃料电池***(200)的阳极回路。
2.一种对燃料电池***(300、400)的流体平衡进行控制的方法，包括：
测定说明燃料电池***(300、400)中的液体量和/或液体量变化的特性测量值，
根据测定的特性测量值调节冷凝装置(120、150；450)的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量，
在至少一个冷凝装置(120、150、450)中对阴极端和阳极端排出的气体进行冷却，以便冷凝成液体，
将冷凝出的液体输送给燃料电池***(300、400)的阳极回路。
3.按照权利要求1或2所述的方法，包括：
对冷凝后余剩的燃料电池***(400)的燃料电池装置(410)的废气进行加热，
使加热后的废气流过催化燃烧器(7)。
4.按照权利要求1或2所述的方法，包括：
在燃料电池装置(510)上设置催化燃烧器(507)，
使冷凝后剩余的废气流过催化燃烧器(507)。
5.一种燃料电池***(700)，包括：
燃料电池装置(710)，
用于测定说明燃料电池***(200)中的液体量和/或液体量变化的特性测量值的装置(560、660)，
至少一个冷凝装置(120、150)，用于至少将阴极端排出的气体冷凝成液体，
控制装置，用于根据测定的特性测量值调节冷凝装置(120、150；450)的冷却效率和/或调节阴极端的体积流量，
用于将冷凝出的液体输送给燃料电池***的阳极回路的装置。
6.按照权利要求5所述的燃料电池***，包括：
用于对燃料电池装置(410)中的气体进行加热的换热装置(460)。
7.按照权利要求5或6所述的燃料电池***，包括：
催化燃烧器(507)，所述催化燃烧器设置在燃料电池装置(510)上或设置在燃料电池装置(510)内。
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