專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機的運行管理的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具體旨在沒有電網(wǎng)供電的情況下提供備用的燃料電池發(fā)電機，其中多個燃料電池被堆疊，用于從分別在燃氣電極(陽極)和氧化氣體電極(陰極)上供應燃料氣體和氧化氣體開始產(chǎn)生電能。特別地，本發(fā)明涉及一種用氫氣作為燃料的質(zhì)子交換膜(PEM)類型的燃料電池系統(tǒng)，其中執(zhí)行一種加濕PEM電池的特定的管理。
背景技術：
眾所周知，保持適當?shù)募訚袷顷P于基于PEM燃料電池技術產(chǎn)生電能和熱能的系統(tǒng)
管理最微妙的方案之一。 燃料電池用氫氣作為能源載體代表了在技術上最有前途的方案之一。燃料電池為能夠通過采用電化學反應將化學能轉換成電能的設備。在單個PEM電池中，兩個半反應(semireaction)同時發(fā)生,一個在陽極而一個在陰極。通過電解質(zhì)使PEM電池的陽極和陰極隔離，陽極和陰極典型地通過能夠引導質(zhì)子的磺酸鹽聚合物的膜構成，電極的兩側涂有一層適當?shù)拇呋旌衔?catalytic mixture)(例如，鉬基混合物)。電解質(zhì)通常充滿離子傳輸液體(例如，水)，使得氫離子能夠從陽極穿越到陰極。在燃料電池中發(fā)生的整體反應是2H2+02 — 2H20 (I)該整體反應伴隨著熱能和電能的增加，并且由分別發(fā)生在陽極以及陰極的兩個半反應的綜合產(chǎn)生該整體反應，在陽極發(fā)生的半反應即2H2 — 4H++4e- (2)以及在陰極發(fā)生的半反應即02+4H.+4e — 2H20 (3)因此，供應至陽極的是氫氣，其在催化層內(nèi)擴散并在催化層內(nèi)分解成氫離子和電子，其中，考慮到膜不滲透氫離子和電子，因此，氫離子和電子穿過外部電路最遠到達陰極，產(chǎn)生電流和相應的電位差。而供應至陰極的改為包含氧氣的混合氣體，所述混合氣體與已經(jīng)穿過電解質(zhì)的氫離子和來自外部電路的電子反應。正是考慮到通過聚合物膜產(chǎn)生穿過質(zhì)子的水分子，因此對于反應物氣體來說使其潮濕是必要的過低的潮濕度導致質(zhì)子更難從陽極部件穿過到陰極部件，導致燃料電池的性能水平下降；而在液體狀態(tài)中凝結了過高的潮濕度，導致催化部位閉塞并且燃料電池的性能水平下降。因此，反應物氣體的加濕在管理燃料電池系統(tǒng)中是非常微妙的參數(shù)。由于明確定義的最大電壓的產(chǎn)生與反應(I)有關，從而為了達到更高的電壓，多個燃料電池通常串聯(lián)連接以形成堆。燃料電池發(fā)電機具體旨在缺乏電網(wǎng)供電的情況下提供備用，除了堆之外，該燃料電池發(fā)電機還包括液壓回路(泵、管道、消散設備等)、用于供應和排出氣流的電路(用于氫氣供應的管道、用于供應氧化氣體混合物的管道等)以及控制系統(tǒng)(控制單元，用于測量溫度、流量以及壓力的儀表，致動器等)。這些元件的整體通常被稱為“配套設施”(BoP)。在這種系統(tǒng)的許多公知的實施例中，BoP包括可利用在加工期間產(chǎn)生的水的回收使堆的入口處的空氣潮濕的設備。該設備通常由能夠以水分子的滲透梯度從穿過一部分膜的排出氣體轉移到穿過膜的另一側的傳入氣體的一系列聚合物膜構成一些實施例還設想再循環(huán)，且由于鼓風機或泵的使用與從堆中排出的至少一部分氣流的“新”氣體進行混合，然而，這伴隨了降低效能、增加系統(tǒng)的噪音以及增加失敗的風險。最后，通常將空氣用作陰極氣體，因此鼓風機或泵對于向堆供應空氣、克服陰極電路本身的頭部的損耗是必要的。例如，從第US-A-5543238號文件了解包括如上所述的所有特征的系統(tǒng)。在所述系統(tǒng)中，通過壓縮機，對出口處的陰極氣體和陽極氣體這兩者的一部分執(zhí)行再循環(huán)。然而，需要保持用于至少使陽極氣體潮濕的系統(tǒng)，該陽極氣體通過外部濕度源來運行。

發(fā)明內(nèi)容
從目前為止已經(jīng)描述的內(nèi)容可以推斷，備用發(fā)電系統(tǒng)的公知實施例是相對昂貴和笨重的，并且需要正確和仔細的日常維護，以防止當考慮到它們是備用系統(tǒng)因此設計為僅間歇地干預時，備用發(fā)電系統(tǒng)變得不可靠，例如，僅當需要移動部件(泵、壓縮機等)時，要求準確的控制移動部件以不被損壞。此外，公知的系統(tǒng)總是設想無論加濕系統(tǒng)是否利用從外部供應的水或者利用部分通過上述膜交換器再生的水運行，也使用該加濕系統(tǒng)。事實上，如上所述，在由用戶開發(fā)的發(fā)電系統(tǒng)中PEM燃料電池的正確運行需要膜的適當加濕程度在電池中水的含量低導致燃料電池干燥并且必然降低堆的使用壽命，但是水的含量高減少了反應物的流入且必然減少產(chǎn)生用戶可用的電力。膜的加濕程度尤其在啟動和停止期間，多次啟動在時間上彼此分離的情況具有影響，如同對于用在備用應用中的能量產(chǎn)生系統(tǒng)所發(fā)生的情況?，F(xiàn)有方案通常集中在尋找由不存在過高或過低水合物問題的材料制成的膜電極組件(MEAs)。然而，所述現(xiàn)有方案沒有提供在用戶遇到問題(例如燃料電池或低水化合物的暫時阻斷)的情況下直接對發(fā)電機干預的可能性。因此，本發(fā)明的目的是提供一種尤其是為克服如上所述的缺陷的備用應用而設計的燃料電池發(fā)電機，特別地，其能夠使設備和運行成本降低且能夠使發(fā)電機的效率和可靠性增加，同時降低了其總尺寸，并能夠在面對及時檢測到緊急狀況的情況下直接干預發(fā)電機。根據(jù)本發(fā)明，提供一種在權利要求I中限定的質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機。


為了進一步理解本發(fā)明，將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例(純粹作為非限制性實例)進行描述，其中圖I示出質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機的方框圖，其中，僅示出了用于理解本發(fā)明所需的部件；以及
圖2示出作為電流密度函數(shù)的單個燃料電池的電壓的曲線圖。
具體實施例方式在圖I中，用I作為整體指代質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機，包括-燃料電池堆2，由多個串聯(lián)電連接的堆疊的PEM燃料電池3形成，用于將電能供應至電力負載(未示出)；-電池電壓監(jiān)測器(CVM)4，連結至燃料電池堆2，用于測量通過每個燃料電池3供應的電壓；-電能管理和調(diào)節(jié)單元5，連接在燃料電池堆2和電力負載之間； -鼓風機6，設計為供應在每個燃料電池3中發(fā)生的化學反應所需的空氣量；-氫氣再循環(huán)器7，用于使燃料電池堆2的出口和入口之間的氫氣再循環(huán)；-氫氣凈化設備8,用于將一部分氫氣釋放到自然環(huán)境或者陰極電路中，該氫氣凈化設備8包括一對校準氫氣凈化閥9、10，一個為初級，一個為次級，以分別在較低流速下執(zhí)行氫氣的初級凈化和在較高流速下執(zhí)行氫氣的次級凈化；以及-電控制器11，連接至電池電壓監(jiān)測器4、電能管理和調(diào)節(jié)單元5、鼓風機6、氫氣再循環(huán)器7以及氫氣凈化設備8，且配置為用于根據(jù)在下文中描述的方法來管理發(fā)電機I的運行，該電控制器11能夠使燃料電池堆2在最優(yōu)的膜加濕條件下運行，從而維持其有效使用壽命，并且始終供應電力負載所需的電力。每個燃料電池3實質(zhì)上包括膜電極組件(MEA)和使用次級部件(如密封墊、頭部(head portion)、彈簧、或者閉合拉桿)組裝的兩個雙極板。該膜電極組件致力于將氫原子分裂成質(zhì)子和電子，且具有大約70°C的運行溫度以及70°C時70. 5%的相對濕度。替代地，在單堿液體(monobasic fluid)的條件下以最佳的方式運行的兩個雙極板執(zhí)行將反應物(空氣或氧氣、氫氣)傳輸?shù)侥る姌O組件的功能以及作為電流收集器的功能。單個燃料電池3的電壓為來自燃料電池3本身所需的電力的函數(shù)且如圖2中所示的圖表，其中縱坐標軸表不60°C時測量到的燃料電池3的平均電壓,而橫坐標軸表不燃料電池3本身所需的電流密度。由于燃料電池3的串聯(lián)電連接，通過燃料電池堆2供應的電壓僅為通過各個燃料電池供應的電壓的和，并呈現(xiàn)了類似圖2中示出的圖表。在通過各個燃料電池供應的電壓的分布中，一致性是膜電極組件的性能和持續(xù)時間的關鍵參數(shù)。經(jīng)由電池電壓監(jiān)測器4來測量通過每個燃料電池3供應的電壓，該電池電壓監(jiān)測器4安裝在燃料電池堆2上且設置有特意設計的連接至各個燃料電池3的金屬制品。以比在燃料電池3內(nèi)典型的液體動力學現(xiàn)象的時間常數(shù)大的頻率(例如每20ms (毫秒))來測量通過每個燃料電池3供應的電壓。通過燃料電池堆2產(chǎn)生的電壓的圖表表示電力負載直接使用通過發(fā)電機I產(chǎn)生的電能不是最優(yōu)的。通過電能管理和調(diào)節(jié)單元5能夠克服所述缺陷，該電能管理和調(diào)節(jié)單元5除了測量通過燃料電池堆2供應的電流之外，還具有使燃料電池堆2供應電力負載所需的電力、同時在燃料電池堆2的使用壽命期間以電壓和電流的方式在最佳條件下運行的任務。為了上述目的，電能管理和調(diào)節(jié)單元5由靜態(tài)元件構成用于電能的轉換，如半導體器件(二極管、金屬氧化層半導體場效晶體管)、根據(jù)升壓或降壓型布局所連接的感抗和容抗，也就是說，能夠通過改變該電能管理和調(diào)節(jié)單元5的電壓和電流來轉換電能；8卩，單獨改變兩個值之一，而另一個值作為電力需求的結果。還可以通過電橋單元(電池或超級電容器)執(zhí)行所述任務。關于氫氣再循環(huán)器7的功能，在燃料電池堆2內(nèi)的氫氣能夠被理想地分解成兩部分從存儲器中取出的氫氣，用于隨后被轉換成電能；以及再循環(huán)的氫氣，為了保持在燃料電池堆2內(nèi)足夠的相對濕度。在滿電力的條件下，使這兩個貢獻達到大約4:3的比例，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)該比例已經(jīng)是最佳比例。將部分再循環(huán)的氫氣從燃料電池堆2的出口去除并通過氫氣再循環(huán)器7使其從燃料電 池堆2的入口進入，該氫氣再循環(huán)器7還具有增加從燃料電池堆2的出口到入口再循環(huán)的氫氣的壓力的功能，典型地從20增加到50mbar (毫巴)?？刂破?1編程為用于獲得分別通過電池電壓監(jiān)測器4和電能管理和調(diào)節(jié)單元5供應的電壓和電流的測量結果；基于所獲得的測量結果和在下文中描述的管理邏輯，為電能管理和調(diào)節(jié)單元5、鼓風機6和氫氣再循環(huán)器7確定執(zhí)行目標；以及用這樣一種方式適當?shù)乜刂齐娔芄芾砗驼{(diào)節(jié)單元5、鼓風機6、氫氣再循環(huán)器7和凈化設備8，以實現(xiàn)給定的執(zhí)行目標。特別地，控制器11編程為用于根據(jù)發(fā)電機的運行模式執(zhí)行發(fā)電機I的不同運行管理邏輯，也就是一個特定模式用于啟動、一個特定模式用于正常運行以及一個特定模式用于停機；在下文中將分別對這些模式進行詳細描述。I.啟動由于所謂的“負載承受”，發(fā)電機I的啟動是特別關鍵的步驟，在該步驟期間，使得燃料電池堆2提供電力負載所需的電力，而不需要任何具有濕度和加濕問題的燃料電池3。為了所述目的，控制器11編程為用于-打開主氫氣凈化閥9并保持其打開，從而執(zhí)行氫氣的連續(xù)初級凈化；以及-循環(huán)地打開和關閉次級氫氣凈化閥10，從而根據(jù)工作循環(huán)執(zhí)行氫氣的循環(huán)次級凈化，其中，打開時間從次級氫氣凈化閥10的關閉和打開時間的原始值開始(分別對應于9s (秒)和4s)，并在每個工作循環(huán)增加給定量(適宜地為20%)，直到以下條件之一被驗證為止 燃料電池3的電壓低于給定的最小容許電壓(適宜地為O. 4V (伏))； 燃料電池3的電壓相對于在最佳加濕條件下通過實驗對每個類型的堆獲得的標稱參考值改變比最大容許變化(適宜地為等于10%)大的量；以及 在比最大容許時間(適宜地為等于60s)長的時間內(nèi)，燃料電池堆2的電壓相對于標稱參考值改變比最大容許變化(適宜地為等于10%)大的量；以及 從發(fā)電機I打開起，已經(jīng)過去了比最大容許時間(適宜地為2分鐘)長的時間已。2. ιΗ常運行發(fā)電機I的正常運行能構成關鍵的步驟，這是由于膜電極組件的瞬間干燥或“注水”，燃料電池2可發(fā)現(xiàn)其本身在非最佳條件下運行，供應的電力因而降低堆本身的有效使用壽命且可能給用戶帶來低效服務。因此，一旦已經(jīng)終止啟動步驟，控制器11編程為以這樣一種方式控制電能管理和調(diào)節(jié)單元5，使得基于電力負載所需的電力，從燃料電池堆2中排出的電流以給定的增加率(適宜地為10A/S)而上升，然后置于與電力負載所需的電力相應的電流值，且無論如何不大于給定的最大值(適宜地為180A)。此外，控制器11編程為用于檢測以下條件之一被驗證 燃料電池3的電壓低于給定的最小容許電壓(適宜地為O. 4V)； 燃料電池3的電壓相對于標稱參考值改變比最大容許變化(適宜地為等于10%)大的量；以及 在比最大容許時間長的時間內(nèi)，燃料電池堆2的電壓相對于標稱參考值(適宜地為等于60s)改變比最大容許變化(適宜地為等于10%)大的量；以及當前述條件之一被驗證時,用這樣一種方式控制電能管理和調(diào)節(jié)單元5,使從燃料·電池堆2中排出的電流以給定的減少率(適宜地為10A/S)而下降，直到檢測的條件停止為止。將電能供應至部分通過電橋單元進行管理的電力負載。此外，控制器11編程為根據(jù)通過電能管理和調(diào)節(jié)單元5供應的電力，管理氫氣再循環(huán)器7、鼓風機6和凈化設備8。特別地，當上述條件之一被驗證時，控制器11編程為用這樣一種方式開動鼓風機6，使得鼓風機6供應比正常所需空氣流量多的給定空氣流量，例如多于4%，并且用于控制如啟動步驟中所述的初級和次級氫凈化閥9、10。3.停機發(fā)電機I的停機能構成關鍵步驟，因為水可以留在燃料電池3的雙極板中，其能夠閉塞將反應物的傳遞至對應的膜電極組件，因此防止燃料電池3達到用于使發(fā)電機I隨后啟動所必需的低水化合物的條件。為了防止該問題，控制器11編程為用于等待燃料電池堆2冷卻至通常設定為20°C的溫度，借助強制冷卻系統(tǒng)加速熱積累的排出；在冷卻結束后，開動鼓風機6，用于去除在冷卻期間凝結的水；以及打開初級氫氣凈化閥9并保持其打開，從而執(zhí)行氫氣的連續(xù)初級凈化。從根據(jù)本發(fā)明的質(zhì)子交換膜燃料電池堆備份發(fā)電機的特征的檢查中，提出的超出公知的同類型發(fā)電機的優(yōu)點是顯而易見的。特別地，與公知的同類型發(fā)電機相比，不僅表現(xiàn)了更高的效率和可靠性，而且還能夠使操作者在面對及時檢測到緊急狀況的情況下直接干預。最后，顯而易見的是對上文所描述和示出的質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機做出變化和改變，并沒有背離本發(fā)明所附權利要求所限定的保護范圍。特別地，可以假設能夠獲得的最小容許電壓、最大容許變化、最大容許時間、排出電流的增加率和減少率以及最大電流不同于以前表明的值。
權利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機(1)，包括 燃料電池堆(2)，由多個串聯(lián)電連接的堆疊的質(zhì)子交換膜燃料電池(3)形成，用于將電能供應至電力負載； 電池電壓監(jiān)測器(4 )，用于測量通過每個燃料電池(3 )供應的電壓； 電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)，連接在所述燃料電池堆(2)和所述電力負載之間； 鼓風機(6)，用于供應在所述燃料電池(3)中發(fā)生的化學反應所需的空氣量； 氫氣再循環(huán)器(7)，用于使所述燃料電池堆(2)的出口和入口之間的氫氣再循環(huán)；氫氣凈化設備(8)，配置為用于在較低流速下執(zhí)行氫氣的初級凈化和在較高流速下執(zhí)行氫氣的次級凈化；以及 控制器(11)，連接至所述電池電壓監(jiān)測器(4)、所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)、所述鼓風機(6)、所述氫氣再循環(huán)器(7)以及所述氫氣凈化設備(8)，且所述控制器(11)配置為用于差別管理所述發(fā)電機(I)在啟動、停機和正常運行期間的運行， 所述發(fā)電機的特征在于，所述控制器(11)還配置為用于通過執(zhí)行以下操作來管理所述發(fā)電機(I)的啟動 控制所述凈化設備(8)，以執(zhí)行氫氣的連續(xù)初級凈化；以及 控制所述凈化設備(8)，以基于工作循環(huán)執(zhí)行氫氣的循環(huán)次級凈化，其中，凈化時間從給定初始值開始，并在每個工作循環(huán)增加給定量，直到所述以下條件之一被驗證為止 所述燃料電池(3)的所述電壓低于給定的最小容許電壓； 所述燃料電池(3)的電壓相對于參考值改變了比給定的最大容許變化大的量； 籲在比最大容許時間長的時間內(nèi)，所述燃料電池堆(2)的電壓相對于所述參考值改變了比所述給定的最大容許變化大的量； 從所述發(fā)電機(I)打開起，已經(jīng)過去了比所述最大容許時間長的時間。
2.根據(jù)權利要求I所述的發(fā)電機，其中所述控制器(11)還配置為用于 獲得通過所述電池電壓監(jiān)測器(4 )和所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5 )供應的電壓和電流的測量結果； 基于所獲得的測量結果和管理邏輯，為所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)、所述鼓風機(6)和所述氫氣再循環(huán)器(7)確定執(zhí)行目標；以及 控制所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)、所述鼓風機(6)、所述氫氣再循環(huán)器(7)和所述凈化設備(8)，以實現(xiàn)給定的所述執(zhí)行目標。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的發(fā)電機，其中所述控制器(11)還配置為用于通過執(zhí)行以下操作來管理所述發(fā)電機(I)的停機 等待所述燃料電池堆(2)冷卻直到達到設定溫度為止； 在冷卻結束后，開動所述鼓風機(6)，以去除在冷卻期間凝結的水；以及 控制所述凈化設備(8 )，以提供氫氣的連續(xù)初級凈化。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的發(fā)電機，其中所述控制器(11)還配置為用于通過執(zhí)行以下操作來管理所述發(fā)電機(I)的正常運行 控制所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)，使得基于所述電力負載所需的電力，從所述燃料電池堆(2)中排出的所述電流以給定的增加率而上升，以固定在一個與所述電力負載所需的電力相應的電流值，且所述電流值不大于給定的最大電流。
5.根據(jù)權利要求4所述的發(fā)電機，其中所述控制器(11)還配置為用于通過執(zhí)行以下操作來管理所述發(fā)電機(I)的正常運行 檢測所述以下條件之一被驗證 所述燃料電池(3)的電壓低于所述給定的最小容許電壓； 所述燃料電池(3)的電壓相對于參考值改變了比所述最大容許變化大的量； 籲在比最大容許時間長的時間內(nèi)，所述燃料電池堆(2)的電壓相對于所述參考值改變了比所述給定的最大容許變化大的量；以及 當前述條件之一被驗證時，控制所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5 )，使得從所述燃料電池堆(2)中排出的所述電流以給定的減少率而下降，直到檢測的所述條件停止為止。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的發(fā)電機，其中所述控制器(11)還配置為用于通過執(zhí)行以下操作來管理所述發(fā)電機(I)的正常運行 根據(jù)通過所述電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)供應的所述電力，控制所述氫氣再循環(huán)器(7);以及 當前述的條件之一被驗證時 控制所述鼓風機(6)，使得所述鼓風機(6)供應比正常所需空氣流量多的給定空氣流量；以及 控制所述凈化設備(8)，以提供如權利要求3所述的氫氣的初級凈化和氫氣的次級凈化。
7.—種控制器(11)，用于根據(jù)前述權利要求中任一項所述的質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機(I)。
8.一種軟件，能夠裝入質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機(I)的控制器(11)中，且設計為當運行時使得所述控制器(11)配置為如前述權利要求中任一項所述的權利要求。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池堆備用發(fā)電機(1)，包括燃料電池堆(2)，由多個串聯(lián)電連接的堆疊的質(zhì)子交換膜燃料電池(3)形成，用于將電能供應至電力負載；電池電壓監(jiān)測器(4)，用于測量通過每個燃料電池(3)供應的電壓；電能管理和調(diào)節(jié)單元(5)，連接在燃料電池堆(2)和電力負載之間；鼓風機(6)，用于供應在燃料電池(3)中發(fā)生的化學反應所需的空氣量；氫氣再循環(huán)器(7)，用于使燃料電池堆(2)的出口和入口之間的氫氣再循環(huán)；氫氣凈化設備(8)，用于在較低流速下執(zhí)行氫氣的初級凈化和在較高流速下執(zhí)行氫氣的次級凈化；以及控制器(11)，編程為用于差別管理發(fā)電機(1)在啟動、停機和正常運行期間的運行。
文檔編號H01M8/10GK102668211SQ201080059180
公開日2012年9月12日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權日2009年12月22日
發(fā)明者弗朗切斯科·佩德拉佐, 朱塞佩·賈諾利奧, 皮耶爾保羅·凱爾基 申請人:依萊克托電能系統(tǒng)股份有限公司