质子交换膜燃料电池堆备用发电机的运行管理

摘要

一种质子交换膜燃料电池堆备用发电机（1），包括：燃料电池堆（2），由多个串联电连接的堆叠的质子交换膜燃料电池（3）形成，用于将电能供应至电力负载；电池电压监测器（4），用于测量通过每个燃料电池（3）供应的电压；电能管理和调节单元（5），连接在燃料电池堆（2）和电力负载之间；鼓风机（6），用于供应在燃料电池（3）中发生的化学反应所需的空气量；氢气再循环器（7），用于使燃料电池堆（2）的出口和入口之间的氢气再循环；氢气净化设备（8），用于在较低流速下执行氢气的初级净化和在较高流速下执行氢气的次级净化；以及控制器（11），编程为用于差别管理发电机（1）在启动、停机和正常运行期间的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具体旨在没有电网供电的情况下提供备用的燃料电池发 电机，其中多个燃料电池被堆叠，用于从分别在燃气电极（阳极）和氧化气 体电极（阴极）上供应燃料气体和氧化气体开始产生电能。特别地，本发明 涉及一种用氢气作为燃料的质子交换膜（PEM）类型的燃料电池系统，其中 执行一种加湿PEM电池的特定的管理。

背景技术

众所周知，保持适当的加湿是关于基于PEM燃料电池技术产生电能和 热能的系统管理最微妙的方案之一。

燃料电池用氢气作为能源载体代表了在技术上最有前途的方案之一。燃 料电池为能够通过采用电化学反应将化学能转换成电能的设备。

在单个PEM电池中，两个半反应（semireaction）同时发生，一个在阳 极而一个在阴极。通过电解质使PEM电池的阳极和阴极隔离，阳极和阴极典 型地通过能够引导质子的磺酸盐聚合物的膜构成，电极的两侧涂有一层适当 的催化混合物（catalytic mixture）（例如，铂基混合物）。电解质通常充满 离子传输液体（例如，水），使得氢离子能够从阳极穿越到阴极。

在燃料电池中发生的整体反应是

2H₂+O₂→2H₂O    （1）

该整体反应伴随着热能和电能的增加，并且由分别发生在阳极以及阴极 的两个半反应的综合产生该整体反应，在阳极发生的半反应即

2H₂→4H⁺+4e^-    （2）

以及在阴极发生的半反应即

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O    （3）

因此，供应至阳极的是氢气，其在催化层内扩散并在催化层内分解成氢 离子和电子，其中，考虑到膜不渗透氢离子和电子，因此，氢离子和电子穿 过外部电路最远到达阴极，产生电流和相应的电位差。而供应至阴极的改为 包含氧气的混合气体，所述混合气体与已经穿过电解质的氢离子和来自外部 电路的电子反应。

正是考虑到通过聚合物膜产生穿过质子的水分子，因此对于反应物气体 来说使其潮湿是必要的：过低的潮湿度导致质子更难从阳极部件穿过到阴极 部件，导致燃料电池的性能水平下降；而在液体状态中凝结了过高的潮湿度， 导致催化部位闭塞并且燃料电池的性能水平下降。因此，反应物气体的加湿 在管理燃料电池系统中是非常微妙的参数。

由于明确定义的最大电压的产生与反应（1）有关，从而为了达到更高的 电压，多个燃料电池通常串联连接以形成堆。

燃料电池发电机具体旨在缺乏电网供电的情况下提供备用，除了堆之外， 该燃料电池发电机还包括液压回路（泵、管道、消散设备等）、用于供应和 排出气流的电路（用于氢气供应的管道、用于供应氧化气体混合物的管道等） 以及控制系统（控制单元，用于测量温度、流量以及压力的仪表，致动器等）。 这些元件的整体通常被称为“配套设施”（BoP）。在这种系统的许多公知 的实施例中，BoP包括可利用在加工期间产生的水的回收使堆的入口处的空 气潮湿的设备。该设备通常由能够以水分子的渗透梯度从穿过一部分膜的排 出气体转移到穿过膜的另一侧的传入气体的一系列聚合物膜构成。

一些实施例还设想再循环，且由于鼓风机或泵的使用与从堆中排出的至 少一部分气流的“新”气体进行混合，然而，这伴随了降低效能、增加系统 的噪音以及增加失败的风险。

最后，通常将空气用作阴极气体，因此鼓风机或泵对于向堆供应空气、 克服阴极电路本身的头部的损耗是必要的。

例如，从第US-A-5543238号文件了解包括如上所述的所有特征的系统。 在所述系统中，通过压缩机，对出口处的阴极气体和阳极气体这两者的一部 分执行再循环。然而，需要保持用于至少使阳极气体潮湿的系统，该阳极气 体通过外部湿度源来运行。

发明内容

从目前为止已经描述的内容可以推断，备用发电系统的公知实施例是相 对昂贵和笨重的，并且需要正确和仔细的日常维护，以防止当考虑到它们是 备用系统因此设计为仅间歇地干预时，备用发电系统变得不可靠，例如，仅 当需要移动部件（泵、压缩机等）时，要求准确的控制移动部件以不被损坏。

此外，公知的系统总是设想无论加湿系统是否利用从外部供应的水或者 利用部分通过上述膜交换器再生的水运行，也使用该加湿系统。事实上，如 上所述，在由用户开发的发电系统中PEM燃料电池的正确运行需要膜的适当 加湿程度：在电池中水的含量低导致燃料电池干燥并且必然降低堆的使用寿 命，但是水的含量高减少了反应物的流入且必然减少产生用户可用的电力。 膜的加湿程度尤其在启动和停止期间，多次启动在时间上彼此分离的情况具 有影响，如同对于用在备用应用中的能量产生系统所发生的情况。

现有方案通常集中在寻找由不存在过高或过低水合物问题的材料制成的 膜电极组件（MEAs）。然而，所述现有方案没有提供在用户遇到问题（例 如燃料电池或低水化合物的暂时阻断）的情况下直接对发电机干预的可能性。

因此，本发明的目的是提供一种尤其是为克服如上所述的缺陷的备用应 用而设计的燃料电池发电机，特别地，其能够使设备和运行成本降低且能够 使发电机的效率和可靠性增加，同时降低了其总尺寸，并能够在面对及时检 测到紧急状况的情况下直接干预发电机。

根据本发明，提供一种在权利要求1中限定的质子交换膜燃料电池堆备 用发电机。

附图说明

为了进一步理解本发明，将参照附图对本发明的优选实施例（纯粹作为 非限制性实例）进行描述，其中：

图1示出质子交换膜燃料电池堆备用发电机的方框图，其中，仅示出了 用于理解本发明所需的部件；以及

图2示出作为电流密度函数的单个燃料电池的电压的曲线图。

具体实施方式

在图1中，用1作为整体指代质子交换膜燃料电池堆备用发电机，包括：

-燃料电池堆2，由多个串联电连接的堆叠的PEM燃料电池3形成，用 于将电能供应至电力负载（未示出）；

-电池电压监测器（CVM）4，连结至燃料电池堆2，用于测量通过每个 燃料电池3供应的电压；

-电能管理和调节单元5，连接在燃料电池堆2和电力负载之间；

-鼓风机6，设计为供应在每个燃料电池3中发生的化学反应所需的空气 量；

-氢气再循环器7，用于使燃料电池堆2的出口和入口之间的氢气再循环；

-氢气净化设备8，用于将一部分氢气释放到自然环境或者阴极电路中， 该氢气净化设备8包括一对校准氢气净化阀9、10，一个为初级，一个为次 级，以分别在较低流速下执行氢气的初级净化和在较高流速下执行氢气的次 级净化；以及

-电控制器11，连接至电池电压监测器4、电能管理和调节单元5、鼓风 机6、氢气再循环器7以及氢气净化设备8，且配置为用于根据在下文中描述 的方法来管理发电机1的运行，该电控制器11能够使燃料电池堆2在最优的 膜加湿条件下运行，从而维持其有效使用寿命，并且始终供应电力负载所需 的电力。

每个燃料电池3实质上包括膜电极组件（MEA）和使用次级部件（如密 封垫、头部（head portion）、弹簧、或者闭合拉杆）组装的两个双极板。该 膜电极组件致力于将氢原子分裂成质子和电子，且具有大约70℃的运行温度 以及70℃时70.5%的相对湿度。替代地，在单碱液体（monobasic fluid）的 条件下以最佳的方式运行的两个双极板执行将反应物（空气或氧气、氢气） 传输到膜电极组件的功能以及作为电流收集器的功能。

单个燃料电池3的电压为来自燃料电池3本身所需的电力的函数且如图 2中所示的图表，其中纵坐标轴表示60℃时测量到的燃料电池3的平均电压， 而横坐标轴表示燃料电池3本身所需的电流密度。

由于燃料电池3的串联电连接，通过燃料电池堆2供应的电压仅为通过 各个燃料电池供应的电压的和，并呈现了类似图2中示出的图表。在通过各 个燃料电池供应的电压的分布中，一致性是膜电极组件的性能和持续时间的 关键参数。

经由电池电压监测器4来测量通过每个燃料电池3供应的电压，该电池 电压监测器4安装在燃料电池堆2上且设置有特意设计的连接至各个燃料电 池3的金属制品。以比在燃料电池3内典型的液体动力学现象的时间常数大 的频率（例如每20ms（毫秒））来测量通过每个燃料电池3供应的电压。

通过燃料电池堆2产生的电压的图表表示电力负载直接使用通过发电机 1产生的电能不是最优的。通过电能管理和调节单元5能够克服所述缺陷， 该电能管理和调节单元5除了测量通过燃料电池堆2供应的电流之外，还具 有使燃料电池堆2供应电力负载所需的电力、同时在燃料电池堆2的使用寿 命期间以电压和电流的方式在最佳条件下运行的任务。

为了上述目的，电能管理和调节单元5由静态元件构成用于电能的转换， 如半导体器件（二极管、金属氧化层半导体场效晶体管）、根据升压或降压 型布局所连接的感抗和容抗，也就是说，能够通过改变该电能管理和调节单 元5的电压和电流来转换电能；即，单独改变两个值之一，而另一个值作为 电力需求的结果。还可以通过电桥单元（电池或超级电容器）执行所述任务。

关于氢气再循环器7的功能，在燃料电池堆2内的氢气能够被理想地分 解成两部分：从存储器中取出的氢气，用于随后被转换成电能；以及再循环 的氢气，为了保持在燃料电池堆2内足够的相对湿度。在满电力的条件下， 使这两个贡献达到大约4:3的比例，经试验发现该比例已经是最佳比例。将 部分再循环的氢气从燃料电池堆2的出口去除并通过氢气再循环器7使其从 燃料电池堆2的入口进入，该氢气再循环器7还具有增加从燃料电池堆2的 出口到入口再循环的氢气的压力的功能，典型地从20增加到50mbar（毫巴）。

控制器11编程为用于：获得分别通过电池电压监测器4和电能管理和调 节单元5供应的电压和电流的测量结果；基于所获得的测量结果和在下文中 描述的管理逻辑，为电能管理和调节单元5、鼓风机6和氢气再循环器7确 定执行目标；以及用这样一种方式适当地控制电能管理和调节单元5、鼓风 机6、氢气再循环器7和净化设备8，以实现给定的执行目标。

特别地，控制器11编程为用于：根据发电机的运行模式执行发电机1 的不同运行管理逻辑，也就是：一个特定模式用于启动、一个特定模式用于 正常运行以及一个特定模式用于停机；在下文中将分别对这些模式进行详细 描述。

1.启动

由于所谓的“负载承受”，发电机1的启动是特别关键的步骤，在该步 骤期间，使得燃料电池堆2提供电力负载所需的电力，而不需要任何具有湿 度和加湿问题的燃料电池3。为了所述目的，控制器11编程为用于：

-打开主氢气净化阀9并保持其打开，从而执行氢气的连续初级净化；以 及

-循环地打开和关闭次级氢气净化阀10，从而根据工作循环执行氢气的 循环次级净化，其中，打开时间从次级氢气净化阀10的关闭和打开时间的原 始值开始（分别对应于9s（秒）和4s），并在每个工作循环增加给定量（适 宜地为20%），直到以下条件之一被验证为止：

●燃料电池3的电压低于给定的最小容许电压（适宜地为0.4V（伏））；

●燃料电池3的电压相对于在最佳加湿条件下通过实验对每个类型的 堆获得的标称参考值改变比最大容许变化（适宜地为等于10%）大 的量；以及

●在比最大容许时间（适宜地为等于60s）长的时间内，燃料电池堆2 的电压相对于标称参考值改变比最大容许变化（适宜地为等于10%） 大的量；以及

●从发电机1打开起，已经过去了比最大容许时间（适宜地为2分钟） 长的时间已。

2.正常运行

发电机1的正常运行能构成关键的步骤，这是由于膜电极组件的瞬间干 燥或“注水”，燃料电池2可发现其本身在非最佳条件下运行，供应的电力 因而降低堆本身的有效使用寿命且可能给用户带来低效服务。

因此，一旦已经终止启动步骤，控制器11编程为以这样一种方式控制电 能管理和调节单元5，使得基于电力负载所需的电力，从燃料电池堆2中排 出的电流以给定的增加率（适宜地为10A/S）而上升，然后置于与电力负载 所需的电力相应的电流值，且无论如何不大于给定的最大值（适宜地为 180A）。

此外，控制器11编程为用于：

检测以下条件之一被验证：

●燃料电池3的电压低于给定的最小容许电压（适宜地为0.4V）；

●燃料电池3的电压相对于标称参考值改变比最大容许变化（适宜地为 等于10%）大的量；以及

●在比最大容许时间长的时间内，燃料电池堆2的电压相对于标称参考 值（适宜地为等于60s）改变比最大容许变化（适宜地为等于10%） 大的量；以及

当前述条件之一被验证时，用这样一种方式控制电能管理和调节单元5， 使从燃料电池堆2中排出的电流以给定的减少率（适宜地为10A/S）而下降， 直到检测的条件停止为止。将电能供应至部分通过电桥单元进行管理的电力 负载。

此外，控制器11编程为根据通过电能管理和调节单元5供应的电力，管 理氢气再循环器7、鼓风机6和净化设备8。特别地，当上述条件之一被验证 时，控制器11编程为用这样一种方式开动鼓风机6，使得鼓风机6供应比正 常所需空气流量多的给定空气流量，例如多于4%，并且用于控制如启动步 骤中所述的初级和次级氢净化阀9、10。

3.停机

发电机1的停机能构成关键步骤，因为水可以留在燃料电池3的双极板 中，其能够闭塞将反应物的传递至对应的膜电极组件，因此防止燃料电池3 达到用于使发电机1随后启动所必需的低水化合物的条件。

为了防止该问题，控制器11编程为用于：

等待燃料电池堆2冷却至通常设定为20℃的温度，借助强制冷却系统加 速热积累的排出；

在冷却结束后，开动鼓风机6，用于去除在冷却期间凝结的水；以及

打开初级氢气净化阀9并保持其打开，从而执行氢气的连续初级净化。

从根据本发明的质子交换膜燃料电池堆备份发电机的特征的检查中，提 出的超出公知的同类型发电机的优点是显而易见的。特别地，与公知的同类 型发电机相比，不仅表现了更高的效率和可靠性，而且还能够使操作者在面 对及时检测到紧急状况的情况下直接干预。

最后，显而易见的是对上文所描述和示出的质子交换膜燃料电池堆备用 发电机做出变化和改变，并没有背离本发明所附权利要求所限定的保护范围。

特别地，可以假设能够获得的最小容许电压、最大容许变化、最大容许 时间、排出电流的增加率和减少率以及最大电流不同于以前表明的值。