用于增加一燃料电池发电设备运行效率的方法

专利名称：用于增加一燃料电池发电设备运行效率的方法
技术领域：
本发明大体关于一种用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，更明确的说，其涉及一种为一燃料电池发电设备提供一反应剂流的方法，此方法增加了对该反应剂流的利用率，从而从总体上增加该燃料电池发电设备的性能。
背景技术：
电气化学燃料电池组件能够通过向一阳电极提供一反应剂燃料，如氢气，并向一阴电极提供一反应氧化剂，如空气或氧气，两者相互作用，于其间产生一外电流，从而生产出电力及一并发反应产物，这已为我们所知。燃料电池组件可以使用一由一固体聚合体电解液或离子交换膜组成的电解液，其位于由多孔导电片材(典型为碳纤维纸)形成的阴阳电极之间。这种燃料电池被认为是PEM(质子交换膜)燃料电池一燃料电池的运行效率直接与供应给燃料电池的燃料的利用率有关。这种利用率，一般被称为‘氢气利用率’，是消耗于燃料电池阳电极的反应剂燃料除以供应给燃料电池的反应剂燃料总量再乘以100后所得到的比率。尽管PEM燃料电池发电设备的设计总是力求尽可能达到100％的利用率，但这是很难实现的。
PEM燃料电池发电设备的运行一般要通过使用一串联或多路方法向集成电池组组件供应一反应剂燃料，其中在电池组组件内个体燃料电池被分为两个组或多个组。将反应剂燃料提供至第一组燃料电池，然后串联至下一组，如此继续，直到其通过一燃料出口歧管离开该电池组组件。使用这种布置所得到的整个电池组组件的实际氢气使用率为高达90％或以上，且个体串联组以大约为60％-70％的利用率运行。但是，在燃料电池中已使用了许多不同的流动方向。其目的始终是为了分配氢气的流动，使该燃料电池各个片段能得到所需要量的燃料。已用在电池内的流动配置有单路，双路，多路，蛇形或交叉形。其它时候，在电池出口和电池入口之间使用了一外部循环以改进该电池组组件内的流动均匀性。
然而，我们观察到，在某特定环境下，如在关闭或启动PEM燃料电池发电设备时，一些串联组会遭受燃料匮乏，其程度会使该燃料电池发电设备无法达到所需要的功率输出。这种燃料匮乏典型是由燃料流在自第一串联组串联至最后时，后串联组短时间内缺乏燃料流所引起的。此外，当燃料电池发电设备正在运行时，由于燃料流的氮气污染，也可能发生燃料匮乏，这种氮气典型的会在反应氧化剂流中出现。在很多应用中，该氧化剂流由大气氧气组成，大气氧气中含有氮，该氮成分通过固体聚合体PEM而部分扩散，从而稀释了富含氢气的燃料流。被稀释的氢气燃料流可能会因此氢气浓度不足，无法支持该电池组组件一些片段内所需的电流密度，从而侵蚀一些电池组组件内的阳电极，并有可能导致灾难性的损坏。
先前已提出需要消除串联体系，以有利于一单路布置，其中通过一普通进料歧管向电池组组件内的各个燃料电池提供反应剂燃料流，同时增加排放率；然而，这会导致氢气利用率降低至80％，这种低效率对大多数应用来说都是无法接受的。上文和下文中使用的短语‘排放率’代表氢气燃料流以此比率离开阳电极，即一个燃料电池或电池组组件的阳极流场。
已知可以通过完全净化一电池组组件的反应剂流动室来解决反应剂燃料和氧化剂流中杂质的问题，正如本发明受让人协力提供给美国国家航空和宇宙航行局(NASA)用于航天飞机计划所实施的电池组组件一样。应当了解的是，要完全净化燃料和氧化反应剂流的成本很高，因此其不适合于处理该利用一包含非纯净氧气流的氧化反应剂与相对较薄的PEM接触的电池组组件，这与为NASA航天飞机计划及类似计划所制造的电池组组件使用的纯净氧气流和相对较大PEM相反。
结合前述问题和关注，本发明要寻求一种增加一PEM燃料电池发电设备的氢气利用率的方法，同时要防止燃料电池匮乏和对反应剂燃料流的过度稀释。

发明内容
根据本发明一实施方案，提出一种用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，此设备包括一电池组组件，该组件包含多个相互电路连接的燃料电池。该电池组组件包括一燃料进口歧管，及一燃料出口歧管，相应用于接收和排放一反应剂燃料流。此提出的方法包括为燃料电池组件提供反应剂燃料流，在一第一预定时间段内密封燃料排放歧管，从而防止该反应剂燃料流离开该电池组组件，并在一第二预定时间段内打开该燃料排放歧管。
附图简述

图1显示了一PEM燃料电池内离子交换膜上的反应剂和污染物的典型扩散率的曲线图。
图2显示了在不同温度时一PEM燃料电池内的氮气浓度以及氢气利用率的曲线图。
图3显示了一根据本发明一实施方案结合一反应剂供应方法的一燃料电池发电设备的示意图。
图4显示了一PEM燃料电池内(如用于图3中一燃料电池发电设备)氮气对反应剂燃料流污染的大约比率的曲线图。
图5显示了根据本发明一实施方案的氢气使用率，净化时间及排放率之间相互关系的曲线图。
图6是根据本发明一实施方案运行一PEM燃料电池发电设备的流程图。
图7是根据本发明另一实施方案运行一PEM燃料电池发电设备的流程图。
具体实施例方式
本发明一般用于增加一PEM燃料电池发电设备的运行效率，其中提供给发电设备的反应剂燃料流典型为氢H2的‘纯’气态流。我们应了解，本发明的燃料电池发电设备由使燃料电池发电设备能够运行并产生电力所必需的部件组成，其包括但不限于一包含多个电路集成平面PEM燃料电池的电池组组件；用于引导反应剂燃料和氧化剂流进入和离开该电池组组件的反应剂进料和出口歧管；用于在运行过程中使冷却剂在燃料电池内循环的冷却槽或冷却盘；各种用于控制和净化反应剂与冷却剂流动的导管、阀门和排污装置；及一集成控制系统，用来监控反应剂流动率和燃料电池发电设备运行温度，以实现对这些参数和其它参数的变化，进而使该燃料电池发电设备维持近乎最佳的运行状态。同时需要注意的是，尽管本发明是用于使用纯H2燃料的PEM燃料电池发电设备，本发明并不限于该范围内，因为以下所揭示的方法和仪器对于非PEM燃料电池同样适用。
当向一电池组组件内的燃料电池供应纯H2燃料流时，期望能使用供应给燃料电池的氢气燃料流的大约90％或以上；即，期望在运行该电池组组件时总体上的利用率为约90％或以上。迄今，我们知道可通过使用一串联多路系统或一单路系统向一电池组组件供应一反应剂燃料流，其中两个系统中的反应剂燃料流都按照一连续但可变的排放率提供给电池组组件。然而，这些系统会周期性的遭受反应剂燃料匮乏或稀释的影响而减弱，并具有无法接受的低氢气使用率。在PEM燃料电池内，反应剂燃料流因氮气在离子交换膜(典型为一NAFIONTM膜或类似物)上扩散而被稀释，这一现象并不罕见。
图1显示了氮气N2在一典型PEM电池组组件运行过程中的交叉扩散，将其与产生同等电流的反应剂H2和氧气O2相比较；即关于一电池组组件通过一相似体积的H2产生的等量的电流。图1描述了一0.4平方英尺的燃料电池，其含有一由马里兰州(Maryland)艾尔克顿市(Elkton)的W.L.Gore公司供应的15微米厚的质子交换膜，该反应剂压力约为一个大气压力。如图1所示，可见N2的交叉扩散在约60达到顶点，同时由于温度升高，电池组组件内的水蒸气增加，相应的，电池组组件内N2的分压降低，此水蒸气增加大于N2渗透性的增加。应当注意的是，图1的曲线图显示使用已知方法向电池组组件提供一具有恒定排放率的反应剂燃料的N2交叉扩散。
图2显示了在不同温度下运行以及每平方英尺100安培的氢气利用率下的N2浓度。阳极流场排放处的摩尔百分数约为45％，且在温度为60至70时氢气利用率为95％。
因而本发明寻求将图1中所举例的N2交叉扩散的影响减少至一可接受程度，同时增加一燃料电池发电设备的一电池组组件的氢气利用率。为了达到这些目标，本发明提出使用一非连续排放率向一电池组组件提供一反应剂燃料流；即，本发明将使用一净化脉冲的方法向一电池组组件提供一反应剂燃料流，而不是使用目前在大多数已知系统中使用的恒定排放率方法。
已经发现通过向一燃料电池组件提供反应剂燃料的非持续脉冲，由运行电池组组件‘死端(dead-ended)’的时段分隔，能够以一高利用率运行该电池组组件，同时保持可接受的燃料质量。上文和下文中所使用的术语‘死端’，代表在燃料出口歧管被密封时段运行该电池组组件。
图3为根据本发明一实施方案一燃料电池发电设备10的基本元件的结构图。为清楚起见，将该电池组组件12显示为一单个燃料电池组件，但是应当了解，该燃料电池发电设备10典型为包括多个相互电路连接的平面燃料电池组件。如图3所示，该电池组组件12包括一阳电极14，一阴电极15，一安置其间的PEM电解液18以及一冷却盘20。
该燃料电池发电设备10及其辅助装置的基本元件和功能已为我们所熟知，而该燃料电池发电设备10的显著特点则关于其燃料流动控制系统和运行方式。根据本发明，该燃料流动控制系统包括一加压氢气源22，一燃料压力调节器24，一燃料进口歧管26，一阳极流场集成的阳极面14，一燃料出口歧管28，一燃料排放阀门30，一排放阀门控制器32，以及一可选择的位于电池组12内的气体浓度感应器34。可配置该阀门排放控制器按一时间进度表运行，一平均时间乘以该燃料电池发电设备10上或与由感应器34所探测的与氮气浓度进度表相关的电流负荷进度表。该燃料电池发电设备也可包括一燃料循环回路和压缩机36。通过一氧化剂压缩机40或类似物将一氧化剂源38引入该燃料电池组12，同时通过一冷却剂泵42和一冷却剂压力阀门44使冷却剂循环穿过一与冷却盘20相连的冷却回路热交换器46。
在运行本发明的电池组组件12死端一预定时间段后，N2将开始集中在阳极流场出口附近及电池组组件12的出口歧管34内。所有这些对于最佳运行都很必要，因此，以确保在电池组组件未运行死端的时间段中，所提供给电池组组件12的反应剂燃料的各相继脉冲的容量足以净化整个所有的阳电极流场及出口歧管34。
将反应剂燃料流的平均氮气浓度维持在约相当于以容量计25％的水平，从而防止电池组组件内的个体燃料电池的衰弱性匮乏，这点很重要。同样重要的是，由于相同原因，要将阳极流场出口处的出口氮气浓度维持在低于容量的75％的水平。对于一典型电池组组件来说，已显示出该电池组组件可运行死端约20秒或更多时间，而不超过25％的平均氮气污染。
随后的图4和5是以具有于大约一大气压力下运行的15微米厚GoreTMPEM的燃料电池组件为基础的。PEM上的氮气扩散率将取决于特定的燃料电池组件设计，及其临界参数，该临界参数包括PEM的厚度，该燃料电池发电设备的总体运行温度和运行压力。同样，其时间或净化间隔将根据标准设定，该标准包括阳极流场出口出的氮气浓度，典型为不大于容量的约75％。在实践中，实际净化间隔既可以通过经验具体建立，也可使用所属技术领域的技术人员所知的技术来分析该特定电池组组件设计来具体建立。如前所述，净化容量的设定应与该阳极流场和燃料反应剂歧管28的总开放容量相等。
图4描述了该被观测时间段，其中阳极排放/燃料出口歧管容量的25％将在不同的运行温度时充满N2。应当了解的是尽管上述时间段约为20秒，但本发明并不限于此范围内，且根据该电池组组件所使用的具体尺寸，制造及运行方法，可选择其它时间段来替代。
图4中所描述的曲线图表明，对于一在约100asf的相对较低功率运行的电池组组件来说，其反应剂燃料流的净化脉冲之间的优选时间段约为22秒。图5显示了与不同运行电流密度下的净化脉冲持续时间相比较的平均氢气利用率。如图5中可见，该有效利用率大体上并不依赖于该电池组组件的排放率，其中对于图5中的所有测量，假定待排放的总容量均为恒定。图5还证明，所需净化脉冲持续时间的变化与电池组组件的排放率相反，其中当该电池组组件于约100asf运行时，可达到的最高利用率约为90％，而约200asf或以上则可获得95％或更高的利用率。
如前文所讨论，术语‘排放率’表示一反应剂燃料流通过一燃料电池或电池组组件阳极流场的比率。因此，结合图5，该‘同等排放率’是该反应剂燃料流穿过该电池组组件时周期性脉冲的比率单位，如燃料流按照该比率连续流动，则能产生一所述给定量的最大电流密度。该‘同等排放率’也可称为‘净化率’。在此背景下，任何使用一种如此处所揭示的净化脉冲运行方法的PEM电池组组件所需的净化率等同于能导致该电池组组件于最高运行负荷时最大氢气利用率约为80％的比率。举例说来，对于一以600asf最大电流密度运行的电池组组件来说，其净化率将约等于150asfH2消耗，其应用持续时间约为1.8秒。
图6显示了根据本发明一实施例，该电池组组件12作为整个燃料电池发电设备10的一部分的运行方式。如图6所描述，当一操作者手工或自动在步骤120启动该燃料电池发电设备时，会开始一运行周期100。在步骤130启动一净化脉冲，其中将优选为纯氢气H2的燃料流提供给该电池组组件。如以上所讨论的，此净化脉冲的持续时间取决于所使用的电池组组件的具体种类，以及该燃料电池发电设备的电池组组件运行时净化脉冲的净化率及电流密度。因此，一前述的典型的电池组组件的净化时间可为约0.5秒至约2.5秒之间。
运行周期100的步骤140包括通过密封电池组组件12的燃料排放阀门30切断H2的净化脉冲，从而使该电池组组件12在一预定时间长度内运行死端。步骤140中的死端运行的持续时间，即两相继净化脉冲之间的时间段，也可根据所使用的燃料电池发电设备的具体种类，以及该燃料电池发电设备的电池组组件运行的电流密度来设定。对于一典型的PEM电池组组件来说，死端运行的持续时间约为20秒。该死端运行时间段结束时，打开该燃料排放阀门，且该运行周期重新回到步骤130，从而再一次启动净化脉冲，进而将一新鲜H2燃料流注入该电池组组件。容易了解的是，各相继净化脉冲将因此空出消耗巨大的H2燃料流，此时，该燃料流已典型的被一上述被测数量的N2所污染。
根据图6所描述的运行周期100，一燃料电池发电设备可因此按照一设定的净化脉冲进度表来运行，从而将该电池组组件的氢气利用率提升到约95％以上的水平，同时保证该反应剂燃料流不会被减弱数量的N2所污染。但是，本发明并不限于此范围内，而可以使用一运行周期，其中来自电池组组件12的反馈动态的控制该死端运行的持续时间。
如图7所描述，当一操作者手工或自动在步骤220启动该燃料电池发电设备10时，会开始一运行周期200。一净化脉冲在步骤230启动，其中将优选为纯氢气H2的燃料流提供给该电池组组件。如上所述，该净化脉冲的持续时间取决于所使用的电池组组件的具体种类，以及该燃料电池发电设备的电池组组件运行时净化脉冲的净化率及电流密度。因此，一典型的PEM电池组组件的净化时间可约为0.5秒至约2.5秒之间运行周期200的步骤240包括通过密封电池组组件12的燃料排放阀门30切断H2的净化脉冲，从而使该电池组组件12在一预定时间长度内运行死端。比照图6中所描述的实施例，步骤240中的死端运行的持续时间，即两相继净化脉冲之间的时间段，会持续到感应器34或类似物检测到燃料排放歧管内的N2水平无法接受为止。
步骤250显示了监控电池组组件12的燃料出口歧管28内或附近的N2水平的运行周期200的一部分。如所讨论的，感应器34可位于燃料出口歧管28内或附近，以用来探测N2的水平，并将所探测到的水平传达给控制器32。只要所探测到的N2水平保持在预定水平之下，控制器32将允许运行周期200继续运行该燃料电池发电设备10死端。如所探测到的N2水平高于预定水平，则会开启燃料排放阀门30，同时运行周期回到步骤230，以再一次启动一净化脉冲，进而将一新鲜的H2燃料流注入电池组组件中。
根据图7所描述的运行周期200，一燃料电池发电设备可因此按照一动态净化脉冲进度表运行，其中可根据实际探测到的N2水平调整运行该燃料电池发电设备死端的不同持续时间段。图7的运行周期200进而能够将该电池组组件的氢气利用率提高至约为95％以上的水平，同时保证该反应剂燃料流不会被衰弱数量的N2所污染。
图6和图7中相应的运行周期100和200，各使用了一非串联，单路方法将反应剂燃料传输至电池组组件，从而从整体上降低燃料电池发电设备结构的复杂性。如此也可有效避免燃料电池匮乏，因为反应剂燃料流是以近乎相同的浓度提供到电池组组件内的各个燃料电池中的。但是，本发明并不限于此范围内，因为可以预期，那些使用多路串联通路来提供反应剂流的电池组组件也可以组合一个类似的燃料净化脉冲体系，而不会脱离本发明的更广范围。
在先前揭示和所结合的图表中可见，本发明使用了一迄今未知的反应剂燃料运送方法，其中向一燃料电池发电设备提供反应剂燃料的不连续脉冲，从而增加氢气利用率，并充分降低由燃料污染或稀释造成的燃料电池发电设备出现灾难性故障的频率。所有这些特征都有利于一燃料电池发电设备整体上的有效运行，且对诸如机动车辆驱动之类的需要高性能，高可靠性，高能源效率的应用尤为有利。
权利要求
1.一种用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，此设备包括一电池组组件，该组件包含多个相互电路连接的燃料电池，所述电池组组件包括一燃料进口歧管，及一燃料出口歧管，相应用于接收和排放一反应剂燃料流，所述方法包含步骤有为所述燃料电池组件提供所述反应剂燃料流；在一第一预定时间段内密封所述燃料排放歧管，从而防止该所述反应剂燃料流离开所述电池组组件；及在一第二预定时间段内打开所述燃料排放歧管。
2.根据权利要求1所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有加压所述反应剂燃料流；及于所述第一预定时间段内使用一反应剂燃料排放阀门密封所述燃料排放歧管。
3.根据权利要求2所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有使用一控制器控制所述第一和所述第二预定时间段的持续时间。
4.根据权利要求3所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有感应所述反应剂燃料流内的污染物水平；及将所述污染物水平传达给所述控制器。
5.根据权利要求4所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有感应所述燃料出口歧管内的所存在的氮气污染水平。
6.根据权利要求4所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有根据传达给所述控制器的所述污染水平控制所述第一预定时间段。
7.根据权利要求4所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有当所述燃料出口歧管内的所述污染水平超过一预定值时控制所述第一预定时间段至结束。
8.根据权利要求7所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有当所述燃料出口歧管内的所述污染水平超过容量75％时控制所述第一预定时间段至结束。
9.根据权利要求7所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有当所述燃料出口歧管内存在的所述氮气水平超过容量75％时控制所述第一预定时间段至结束。
10.根据权利要求7所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有当所述燃料电池发电设备的一阳极流场内所述污染物水平超过容量75％时控制所述第一预定时间段至结束。
11.根据权利要求7所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有当所述燃料电池发电设备的一阳极流场内存在的所述氮气水平超过容量75％时控制所述第一预定时间段至结束。
12.根据权利要求1所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有按配方制造所述反应剂燃料流为一富含氢气的气态流。
13.根据权利要求1所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有按配方制造所述反应剂燃料流为氢气。
14.根据权利要求3所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有控制所述第二预定时间段以允许所述反应剂燃料流取代所述电池组组件的所述燃料排放歧管和阳极流场的几乎整个容量。
15.根据权利要求3所述的用于增加一燃料电池发电设备的运行效率的方法，所述方法另外包含步骤有控制所述第二预定时间段以允许所述反应剂燃料流取代所述电池组组件的所述燃料排放歧管和所述燃料入口歧管的几乎整个容量。
16.一种燃料电池发电设备，其包括一包含多个相互电路连接的平面燃料电池的电池组组件；一燃料进口歧管，其与一所述燃料电池的一阳极流场气态交流，所述燃料进口歧管接受一反应剂燃料的加压供应；一燃料排放歧管，其与一所述阳极流场的一排放面气态交流，所述燃料排放歧管包括一排放阀门，该阀门用于有选择性的允许所述反应剂燃料流离开所述燃料排放歧管；及一控制器，其用于运行所述排放阀门，其中所述控制器有选择性的命令所述排放阀门在所述燃料电池发电设备正在运行时交替于一开放位置和一封闭位置之间。
17.根据权利要求15所述的燃料电池发电设备，其中所述燃料电池包括一质子交换膜；及所述加压反应剂燃料流是一富含氢气的气态流。
18.根据权利要求15所述的燃料电池发电设备，其中所述控制器命令所述燃料排放歧管于一预定时间段内保持封闭。
19.根据权利要求15所述的燃料电池发电设备，其中所述电池组组件包括一感应器，其用于探测所述反应剂燃料流内的污染物水平，所述感应器与所述控制器有数据交流。
20.根据权利要求19所述的燃料电池发电设备，其中所述控制器命令所述燃料排放歧管保持封闭直至所述反应剂燃料流内的所述污染物水平超过预定水平。
21.根据权利要求20所述的燃料电池发电设备，其中所述污染物水平是所述燃料排放歧管附近所述阳极流场内所存在氮气的水平。
22.根据权利要求21所述的燃料电池发电设备，其中所述污染水平是所述燃料排放歧管内所存在氮气的水平。
23.根据权利要求21所述的燃料电池发电设备，其中所述预定水平约为所述反应剂燃料流容量的75％。
全文摘要
提出一种用于增加一燃料电池发电设备(10)的运行效率的方法，此设备包括一电池组组件(12)，该组件包含多个相互电路连接的燃料电池。该电池组组件包括一燃料进口歧管(26)，及一燃料出口歧管(28)，相应用于接收和排放一反应剂燃料流。此提出的方法包括为燃料电池组件提供反应剂燃料流，在一第一预定时间段内密封燃料排放歧管，从而防止该反应剂燃料流离开该电池组组件，并在一第二预定时间段内打开该燃料排放歧管。
文档编号H01M8/10GK1471738SQ01818218
公开日2004年1月28日 申请日期2001年10月23日 优先权日2000年11月2日
发明者R·D·索耶, R D 索耶 申请人:Utc燃料电池有限公司