防止燃料电池动力设备中的水在贮存过程中结冰的方法和设备技术

一种用于燃料电池动力设备（１０），一般为质子交换膜（ＰＥＭ）型燃料电池动力设备的保温系统。该保温系统防止动力设备中对冻结敏感的部分，例如燃料电池堆组件（ＣＳＡ）（１２）和水管理系统（２８，３０）在极冷的外部温度条件下在７天或更长的持续贮存（ＣＳＡ关闭）期间发生冻结。该系统使用预先贮存的加压燃料，一般为氢（２５），通常被用作供给ＣＳＡ阳极（１６）的燃料，作为在催化燃烧器（６６）中进行催化氧化反应的燃料。氢或其它适当的燃料与氧化剂例如空气（２２）进行催化反应，以生成受热气体，其对流通过与动力设备（１０）的对冻结敏感的部分（１２，２８，３０）相关联的热交换装置。通常在２００°Ｆ－７００°Ｆ条件下，已反应的氢和空气的热量将受热气体分散至动力设备（１０）的所需部分并形成导致空气流向燃烧器（６６）的对流流动。该对流流动消除了对附加电力负载例如泵和鼓风机的需求。一个或多个热绝缘装置（６４）充分罩住对冻结敏感的燃料电池堆组件（１２）和／或水管理系统（２８，３０），以及来自催化燃烧器（６６）的受热气体的对流流动，以提高系统的热效率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
防止燃料电池动力设备中的水在贮存过程中结冰的方法和设备
本专利技术涉及燃料电池，特别涉及适于或希望在运输车辆中使用或作为便携式或固定动力设备的燃料电池动力设备。更具体而言，本专利技术涉及在闲置和贮存过程中防止在燃料电池动力设备，且特别是质子交换膜(PEM)型燃料电池动力设备中的水结冰的方法和设备。
技术介绍
燃料电池动力设备通常被用于从氧化和还原流体，例如分别为氧或空气，和氢中产生电能。该电能可被用于在多种环境中包括在航天器、陆上车辆和/或在多种其它固定的和移动的应用中为电气设备提供动力。在这些动力设备中，通常将数个平面燃料电池布置成一叠堆，该燃料电池堆接收和/或提供还原性反应物流例如氢，氧化性反应物例如氧或空气，冷却剂和产物流体。每一单个电池通常包括一个接收氢反应物的阳极，一个接收氧化剂反应物的阴极，和在阳极和阴极之间的电解质例如质子交换膜(PEM)。每一个电池通常还包括用于引入、流经和/或去除冷却剂和产物流体如水的相关结构。尽管具有重要优势，但是燃料电池，特别是质子交换膜(PEM)型燃料电池还具有与液体水在电池中进行传输、流经和流出电池相关的限制。在寒冷条件下使用这些燃料电池为运输车辆或其它设备提供动力引起一些与水管理方面相关的额外关注，例如防止由产物水和/或任何冷却水流体结冰而引发机械损伤，并使在产物水和/或任何冷却水流体结冰情况下重新启动延迟的不便最小化。在使用燃料电池动力设备驱动车辆的应用中，一般要求在环境温度低至-40℃即低于冰点温度的条件下，在10秒钟内能够启动并开走车辆，且极冷至-50℃时不会产生永久性损伤。若在贮存过程中形成冰则不能满足该启动条件，必须在仅使用内部动力引导启动之前使这些冰解冻。2001年8月22日提交的美国专利申请No.09/935,254“耐冻结动力装置”中描述了一种提供耐冻结燃料电池动力装置的方法，其中该专利申请被转让给了本申请的受让人。在该专利申请中，一种具有-->耐冻结蓄水池的排水系统在停机时被用于去除冷却通道中的水，其中该耐冻结蓄水池含有与水不互溶的流体和冷却水。通过补充加热与水不互溶的流体而为防止在短时停机时冷却水发生冻结而预先采取一些措施。然而，对于较长时间停机即在冰点以下天气中“贮存”多天，系统蓄水池部分中的水分发生冻结且需要过多的时间和能量进行熔化以实现启动。2001年7月5日公布的申请号为WO 01/48846A1的PCT国际申请PCT/CA00/01500题为“增加燃料电池堆温度的方法和设备”中描述了一种在寒冷的环境温度条件下至少在工作、简单停机和重新启动期间保持电池堆组件适当的工作温度的方法。该申请描述了在冷却剂流动通道或在反应物流动通道内的燃烧燃料反应物和氧化剂反应物在工作、简单停机和/或重新启动期间将燃料电池堆组件加热到所需温度。在一些环境中，包括电池堆部件的保温方法可以是合乎需要的，但是通常需要更复杂，因此更高成本的控制设计。需要更加严格的要求以防止电池堆部件经受能够造成不可修复的损伤的极端温度或其它极端条件。由于其复杂性，这些方法还将需要更多能量且因此要求更多燃料消耗，由此使可利用的贮存保护时间受到限制。即使可从储存的燃料反应物例如H2中得到熔化强冷冻而形成的冰所需的能量，但是在10秒钟内能够产生的熔化结冰所需正功率超过了动力设备自身的额定功率。若燃料反应物通过燃烧被直接用于加热，那么这种快速熔化所需的热可损坏该系统，并将严重耗尽燃料供给。因此，本专利技术的一个目的在于提供一种即使在非常寒冷的条件下停机贮存相对较长时间间隔后能使燃料电池动力设备快速产生功率的装置。本专利技术的另一个目的在于使用燃料电池燃料源提供前述性能。本专利技术的又一个目的在于以燃料-高效的方式提供前述性能。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于燃料电池动力设备的保温系统。该燃料电池动力设备可包括一个具有(多个)阳极、(多个)阴极、(多层)质子交换膜和一般是水输送板的冷却器的质子交换膜(PEM)型燃料电池堆组件(CSA)。然而，该保温系统可用于任何种类的燃料电池动力设-->备，该燃料电池动力设备包含部件和/或在-50℃的温度条件下易于发生冻结的流体。该动力设备还包括用于将富氢燃料例如氢至少供给至阳极的装置，例如氢储罐，和用于供给阴极氧化剂反应物，例如空气的源装置。该动力设备包括水管理系统。根据本专利技术的保温系统，还提供一个或多个用于动力设备的热绝缘罩，其中包括燃料电池堆组件(CSA)，水管理系统以及将热量对流供给其中的绝缘罩和动力设备部件的催化燃烧器。该被储存的氢有选择地被用于给催化燃烧器加燃料。氢被供给至催化燃烧器，在此与空气供给混合并接触燃烧器的催化表面以在中等温度条件下，通常在200°-700(93℃-371℃)的范围内实现放热的无焰氧化反应。该热量含在燃烧气体中，并通过对流被带入或通过绝缘罩，以进行热量交换且加热含在其中的动力设备的对冻结敏感的部件。该对流热量是主要的保温加热源。流向催化燃烧器的氢燃料和空气流速不需要很大，且可通过有选择地从储存装置中供给预先加压的氢和结合引入由受热气体对流流动而产生的外部环境空气很容易地进行设置。通过调节流速和/或作为在需要防止发生冻结的对冻结敏感的部件处或附近通常感应到的温度的函数的流量间隔，而对流到燃烧器的氢流量和由此的至少部分生成的热量进行调节。该温度阈值或控制温度一般为约5℃(40-45)。燃料电池堆组件(CSA)和水管理系统可位于公共的热绝缘罩内，且可被布置以用于最优化利用含在以热交换方式通过或穿过的对流传输气体中的热量。另一种选择是，可以存在多个绝缘罩，每一绝缘罩含有动力设备的不同部分，和适当的受热气体在其间进行流动的连通通道。若需要，还可包括用于受热气体的各种热交换器。设置适当的冷却废气排气装置和从该冷却中冷凝用的排水设备。加压氢气、吸入空气、催化燃烧器、对流热流和绝缘罩的前述装置向动力设备提供了足够的热量，以使其在长时间“贮存”期间不会发生冻结。在仅使用储存氢且基本没有驱动附加负载例如泵和/或鼓风机的电力的情况下，根据外部温度和可用的氢供给，贮存期可为7天或更长。虽然所述动力设备为氢燃料的装置，但是该保温方式还可使用其它种类的气体或轻质液体燃料，例如汽油。在使用汽油的情况下，该燃烧器系统需要加入燃料蒸发器，以在气体到达催化燃烧器之前将该气体蒸发。-->以下，结合附图对本专利技术的典型实施例进行详细描述以更清楚地理解本专利技术的前述特征和优点。附图说明图1是一个根据本专利技术构造的用于燃料电池动力设备的保温系统的示意图；以及图2在多个冰点以下温度条件下要求保持燃料电池堆组件在不同时间间隔条件下不发生冻结的典型氢燃料箱的分数的曲线图。具体实施方式详细参照附图，图1示出了大体上根据本专利技术所述的耐冻结动力设备10。图1中的该动力设备10在许多方面都与前述美国专利申请No.09/935,254所描述的动力设备相似，一些附加细节可作参考。然而，本专利技术发现应该考虑在以下所述应用之外的在其它燃料电池动力装置中的应用，这样更加易于理解。动力设备10包括燃料电池堆组件(CSA)12，其包括如现有技术中所公知的从还原性反应物(或燃料)和氧化性反应物(或氧化剂)产生电流的一个(为简单起见如此所述)或典型地多个燃料电池。CSA 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池动力设备（１０）的保温系统，包括：ａ．一个具有阳极（１６）、阴极（１８）、电解质（１４）和冷却器（２０）的燃料电池堆组件（ＣＳＡ）；ｂ．用于提供燃料供给，即至少一些作为反应物供给至阳极（１６）的燃料的燃料供给 装置（２５）；ｃ．可操作地供给至阴极（１８）的氧化剂反应物源（２２）；ｄ．可操作地连接至燃料电池堆组件（１２）的冷却器（２０）上的水管理系统（３０，２８）；ｅ．罩住用于提供其热绝缘的燃料电池堆组件（１２）和水管理系统 （３０，２８）中的至少一个的热绝缘装置（６４）；和ｆ．可操作地与燃料供给装置（２５）和用于与使燃料和氧化剂发生催化反应并提供热源的氧化剂反应物源（２２）相连接的催化燃料燃烧器装置（６６），该燃烧器装置（６６）被设置且用于向热绝缘罩装 置（６４）和在热绝缘装置（６４）中的燃料电池堆组件（１２）和水管理系统（３０，２８）中的至少一个供给受热气体。

【技术特征摘要】
US 2002-1-11 10/043,7911、一种用于燃料电池动力设备(10)的保温系统，包括：a.一个具有阳极(16)、阴极(18)、电解质(14)和冷却器(20)的燃料电池堆组件(CSA)；b.用于提供燃料供给，即至少一些作为反应物供给至阳极(16)的燃料的燃料供给装置(25)；c.可操作地供给至阴极(18)的氧化剂反应物源(22)；d.可操作地连接至燃料电池堆组件(12)的冷却器(20)上的水管理系统(30，28)；e.罩住用于提供其热绝缘的燃料电池堆组件(12)和水管理系统(30，28)中的至少一个的热绝缘装置(64)；和f.可操作地与燃料供给装置(25)和用于与使燃料和氧化剂发生催化反应并提供热源的氧化剂反应物源(22)相连接的催化燃料燃烧器装置(66)，该燃烧器装置(66)被设置且用于向热绝缘罩装置(64)和在热绝缘装置(64)中的燃料电池堆组件(12)和水管理系统(30，28)中的至少一个供给受热气体。2、根据权利要求1所述的保温系统，其中该燃烧器装置(66)包括用于在有氧化剂存在的条件下以无焰的方式进行燃料的燃烧反应，以仅在低于1000的加热范围内释放热量的催化表面(72)。3、根据权利要求2所述的保温系统，其中燃烧器装置(66)进行催化燃烧时所释放出的热量的加热范围在200-700之间。4、根据权利要求2所述的保温系统，其中该氧化剂反应物源(22)为环境空气，该空气被供给至催化燃烧器装置(66...

【专利技术属性】
技术研发人员：RJ阿萨拉波夫斯基，WT昂克尔特，LA贝奇，AP格拉索，BC奥尔索默，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]