燃料電池裝置及操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)，更具體地涉及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)裝置及其操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池可以在開放模式或死端模式下操作。
[0003]在開放模式下，通過(guò)由過(guò)量氣體的流動(dòng)提供的連續(xù)對(duì)流力從燃料電池中排出過(guò)量水。因此，所述系統(tǒng)中的氣體利用率通常小于100%，因此相比于完全電化學(xué)反應(yīng)所需的速度，燃料和氧化劑以更高的速度供應(yīng)至開放模式燃料電池。為了增加氣體效率，通常使用鼓風(fēng)或泵送系統(tǒng)使未反應(yīng)的燃料和/或氧化劑再循環(huán)回至燃料電池，造成燃料電池中更高的壓力下降和額外的功率消耗。
[0004]在死端模式下，燃料電池的至少一個(gè)出口被堵住。有利地，使用在死端模式下操作的燃料電池可以實(shí)現(xiàn)更低的功率消耗和更高的燃料/氧化劑利用率。但是缺點(diǎn)在于常規(guī)死端燃料電池系統(tǒng)需要周期性的氣體清洗從而避免溢流。常規(guī)死端燃料電池系統(tǒng)設(shè)置有清洗閥從而除去過(guò)量水，這使得控制系統(tǒng)復(fù)雜化。此外，在清洗過(guò)程中損失未反應(yīng)的燃料/氧化劑，這降低了氣體利用效率。
[0005]因此需要能夠避免溢流而無(wú)需清洗的死端燃料電池系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，在第一方面，提供燃料電池裝置，所述燃料電池裝置包括具有第一出口的燃料電池組件，和聯(lián)接至第一出口并且形成第一死端的第一容器。第一容器被布置成當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)試劑被供應(yīng)至燃料電池組件時(shí)，接收和保留第一反應(yīng)試劑的一部分和水，并且當(dāng)切斷第一反應(yīng)試劑至燃料電池組件的供應(yīng)時(shí)，使第一容器中的第一反應(yīng)試劑經(jīng)由第一出口返回至燃料電池組件。
[0007]在第二方面，提供操作燃料電池的方法，所述方法包括將染料和氧化劑供應(yīng)至燃料電池組件。第一反應(yīng)試劑的一部分被迫通過(guò)燃料電池組件并且經(jīng)由第一出口進(jìn)入第一容器，并且燃料電池組件中的水通過(guò)第一反應(yīng)試劑的對(duì)流流動(dòng)經(jīng)由第一出口進(jìn)入第一容器。第一反應(yīng)試劑的所述部分和水保持在第一容器中。當(dāng)切斷第一反應(yīng)試劑至燃料電池組件的供應(yīng)時(shí)，使第一容器中的第一反應(yīng)試劑經(jīng)由第一出口返回至燃料電池組件。
[0008]本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)如下詳細(xì)說(shuō)明而變得清楚，如下詳細(xì)說(shuō)明結(jié)合附圖并示例性地描述了本發(fā)明的原理。
【附圖說(shuō)明】
[0009]下文將參考附圖僅通過(guò)示例性的方式描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中:
[0010]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池裝置的示意圖；
[0011]圖2為顯示操作根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池的方法的示意性流程圖；
[0012]圖3為顯示圖1的燃料電池裝置中隨時(shí)間變化的氫氣壓力的曲線；
[0013]圖4為顯示圖1的燃料電池裝置中隨時(shí)間變化的功率輸出的曲線；
[0014]圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池裝置的示意圖；
[0015]圖6為顯示圖5的燃料電池裝置中隨時(shí)間變化的氧氣壓力的曲線；以及
[0016]圖7為根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案的燃料電池裝置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下文結(jié)合所附附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述旨在描述本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，并且不旨在代表本發(fā)明可以實(shí)踐的唯一形式。應(yīng)理解可以通過(guò)不同的實(shí)施方案完成相同或等同的功能，所述不同的實(shí)施方案旨在包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0018]現(xiàn)在參考圖1，顯示了燃料電池裝置10。燃料電池裝置10包括燃料電池組件12，所述燃料電池組件12具有夾在陰極16和陽(yáng)極18之間的質(zhì)子交換膜(PEM) 14。一系列第一通道20和一系列第二通道22與燃料電池組件12的膜電極組件流體連通。燃料電池組件12的一系列第一通道20包括燃料入口 24和燃料出口 26，燃料電池組件12的一系列第二通道22包括氧化劑入口 28和氧化劑出口 30。第一閥32連接至燃料入口 24，并且容器34連接至燃料出口 26。容器34與燃料電池組件12流體連通并且形成燃料電池裝置10中的陽(yáng)極死端。容器34設(shè)置有水出口 36從而從容器34中排出水38。第二閥40連接至水出口36 ο
[0019]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的膜電極組件是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。因此，不需要燃料電池組件12的詳細(xì)描述用于完整理解本發(fā)明。此外，盡管本實(shí)施方案中顯示了具有四個(gè)(4)電池的燃料電池堆，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明不限于所述燃料電池堆，也不受燃料電池堆中的電池?cái)?shù)目的限制。在替代性實(shí)施方案中，燃料電池組件12可以包括單個(gè)燃料電池或者具有比本實(shí)施方案中所示的更多或更少的電池。
[0020]燃料經(jīng)由燃料入口 24周期性地供應(yīng)至一系列第一通道20和容器34。燃料可以為純氫氣或與惰性氣體例如氮?dú)饣驓鍤饣旌系臍錃狻Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施方案中，燃料在約2巴的壓力下供應(yīng)至燃料電池組件12。
[0021]氧化劑經(jīng)由氧化劑入口 28供應(yīng)至一系列第二通道22。氧化劑可以為氧氣或空氣。
[0022]第一閥32被布置成控制燃料至燃料電池組件12的供應(yīng)。燃料至燃料電池組件12的供應(yīng)可以為時(shí)間調(diào)節(jié)的、壓力調(diào)節(jié)的或時(shí)間和壓力調(diào)節(jié)的。在本實(shí)施方案中，第一閥32為電致動(dòng)閥。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一閥32可以為螺線管止回閥，所述螺線管止回閥流體連接至燃料電池裝置10的燃料入口 24從而在一定的壓力范圍下周期性地供應(yīng)燃料。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一閥32可以被布置成以周期性的時(shí)間間隔連續(xù)地打開和關(guān)閉。在所述實(shí)施方案中，第一閥32可以例如被布置成在關(guān)閉之前保持打開達(dá)約3秒(s)和約20s之間的期間，并且第一閥32可以例如被布置成在再次打開之前保持關(guān)閉達(dá)約Is和約7s之間的期間。在相同或不同的實(shí)施方案中，第一閥32可以被布置成根據(jù)燃料電池組件12的壓力連續(xù)地打開和關(guān)閉。在一個(gè)所述實(shí)施方案中，第一閥32可以被布置成當(dāng)燃料電池組件12中的壓力降低至約1.5巴的預(yù)定水平時(shí)再次自動(dòng)打開。
[0023]容器34被布置成當(dāng)燃料被供應(yīng)至燃料電池組件12時(shí)，接收和保留燃料的一部分和水(均為液體和蒸汽形式)，并且當(dāng)切斷燃料至燃料電池組件12的供應(yīng)時(shí)，使容器34中的燃料經(jīng)由燃料出口 26返回至燃料電池組件12。在所示實(shí)施方案中，容器34經(jīng)由第一通道20流體連接至燃料電池組件12的陽(yáng)極18并且堵住燃料出口 26從而形成在陽(yáng)極死端模式下操作的燃料電池系統(tǒng)。容器34充當(dāng)壓力轉(zhuǎn)換室并且可以為具有入口的任何封閉容器，所述入口流體連接至燃料出口 26。容器34可以具有圓柱體、立方體或球體形式的形狀，最優(yōu)選具有圓柱體形狀。在本實(shí)施方案中，容器34具有至少約5巴的壓力阻力。容器34可以由金屬、聚合物、復(fù)合材料或陶瓷制成。
[0024]第二閥40被布置成控制液體水38從容器34中的排出。積累在容器34底部處的冷凝水38可以通過(guò)水出口 36經(jīng)由第二閥40手動(dòng)或自動(dòng)地排出。由于反應(yīng)中產(chǎn)生的水的量有限，在數(shù)小時(shí)或甚至數(shù)天內(nèi)僅需要一次排水過(guò)程。因此，第二閥40通常關(guān)閉。
[0025]現(xiàn)在將參考圖2在下文中描述圖1的燃料電池裝置10的操作。
[0026]現(xiàn)在參考圖2，顯示了操作燃料電池的方法50的流程圖。方法始于步驟52，在步驟52中燃料和氧化劑供應(yīng)至燃料電池組件12。在該步驟中，第一閥32打開并且燃料流入一系列第一通道20以及容器34。燃料中的氫原子分裂成質(zhì)子和電子并且質(zhì)子通過(guò)膜14進(jìn)入陰極16，在陰極處質(zhì)子與氧原子和通過(guò)外部回路(未示出)到達(dá)的電子組合從而形成水。通過(guò)外部回路中的電子的流動(dòng)產(chǎn)生電流。燃料的一部分被迫通過(guò)燃料電池組件12并且經(jīng)由燃料出口 26進(jìn)入容器34。
[0027]陰極16中產(chǎn)生的水幫助保持膜14被水飽和。這有益于膜14中的質(zhì)子擴(kuò)散并且?guī)椭鷾p少電阻損失。當(dāng)從陰極16至陽(yáng)極18的水?dāng)U散超過(guò)從陽(yáng)極18經(jīng)由電滲拖曳返回的水的量時(shí)，水可以積累在陽(yáng)極側(cè)中并且鄰接燃料電池組件12的流動(dòng)通道。
[0028]當(dāng)?shù)谝婚y32打開時(shí)，燃料電池組件12中的壓力高于容器34中的壓力。反應(yīng)試劑氣體(在該實(shí)施方案中為燃料)因此流入容器34并且使過(guò)量的水進(jìn)入容器34。因此，燃料電池組件12中的水通過(guò)燃料的對(duì)流流動(dòng)經(jīng)由第一出口 26進(jìn)入容器34。更具體地，第一通道20的下游部分中積累的水通過(guò)氣態(tài)燃料流動(dòng)的對(duì)流力進(jìn)入容器34。
[0029]在步驟54中，燃料的被迫通過(guò)燃料電池組件12的部分和通過(guò)燃料的對(duì)流力進(jìn)入容器34的水保持在容器3