燃料电池装置及操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池技术，更具体地涉及质子交换膜燃料电池(PEMFC)装置及其操作方法。
【背景技术】
[0002]质子交换膜(PEM)燃料电池可以在开放模式或死端模式下操作。
[0003]在开放模式下，通过由过量气体的流动提供的连续对流力从燃料电池中排出过量水。因此，所述系统中的气体利用率通常小于100%，因此相比于完全电化学反应所需的速度，燃料和氧化剂以更高的速度供应至开放模式燃料电池。为了增加气体效率，通常使用鼓风或泵送系统使未反应的燃料和/或氧化剂再循环回至燃料电池，造成燃料电池中更高的压力下降和额外的功率消耗。
[0004]在死端模式下，燃料电池的至少一个出口被堵住。有利地，使用在死端模式下操作的燃料电池可以实现更低的功率消耗和更高的燃料/氧化剂利用率。但是缺点在于常规死端燃料电池系统需要周期性的气体清洗从而避免溢流。常规死端燃料电池系统设置有清洗阀从而除去过量水，这使得控制系统复杂化。此外，在清洗过程中损失未反应的燃料/氧化剂，这降低了气体利用效率。
[0005]因此需要能够避免溢流而无需清洗的死端燃料电池系统。
【发明内容】
[0006]因此，在第一方面，提供燃料电池装置，所述燃料电池装置包括具有第一出口的燃料电池组件，和联接至第一出口并且形成第一死端的第一容器。第一容器被布置成当第一反应试剂被供应至燃料电池组件时，接收和保留第一反应试剂的一部分和水，并且当切断第一反应试剂至燃料电池组件的供应时，使第一容器中的第一反应试剂经由第一出口返回至燃料电池组件。
[0007]在第二方面，提供操作燃料电池的方法，所述方法包括将染料和氧化剂供应至燃料电池组件。第一反应试剂的一部分被迫通过燃料电池组件并且经由第一出口进入第一容器，并且燃料电池组件中的水通过第一反应试剂的对流流动经由第一出口进入第一容器。第一反应试剂的所述部分和水保持在第一容器中。当切断第一反应试剂至燃料电池组件的供应时，使第一容器中的第一反应试剂经由第一出口返回至燃料电池组件。
[0008]本发明的其他方面和优点将通过如下详细说明而变得清楚，如下详细说明结合附图并示例性地描述了本发明的原理。
【附图说明】
[0009]下文将参考附图仅通过示例性的方式描述本发明的实施方案，其中:
[0010]图1为根据本发明的一个实施方案的燃料电池装置的示意图；
[0011]图2为显示操作根据本发明的一个实施方案的燃料电池的方法的示意性流程图；
[0012]图3为显示图1的燃料电池装置中随时间变化的氢气压力的曲线；
[0013]图4为显示图1的燃料电池装置中随时间变化的功率输出的曲线；
[0014]图5为根据本发明的另一个实施方案的燃料电池装置的示意图；
[0015]图6为显示图5的燃料电池装置中随时间变化的氧气压力的曲线；以及
[0016]图7为根据本发明的又一个实施方案的燃料电池装置的示意图。
【具体实施方式】
[0017]下文结合所附附图进行的详细描述旨在描述本发明优选的实施方案，并且不旨在代表本发明可以实践的唯一形式。应理解可以通过不同的实施方案完成相同或等同的功能，所述不同的实施方案旨在包括在本发明的范围内。
[0018]现在参考图1，显示了燃料电池装置10。燃料电池装置10包括燃料电池组件12，所述燃料电池组件12具有夹在阴极16和阳极18之间的质子交换膜(PEM) 14。一系列第一通道20和一系列第二通道22与燃料电池组件12的膜电极组件流体连通。燃料电池组件12的一系列第一通道20包括燃料入口 24和燃料出口 26，燃料电池组件12的一系列第二通道22包括氧化剂入口 28和氧化剂出口 30。第一阀32连接至燃料入口 24，并且容器34连接至燃料出口 26。容器34与燃料电池组件12流体连通并且形成燃料电池装置10中的阳极死端。容器34设置有水出口 36从而从容器34中排出水38。第二阀40连接至水出口36 ο
[0019]质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极组件是本领域技术人员公知的。因此，不需要燃料电池组件12的详细描述用于完整理解本发明。此外，尽管本实施方案中显示了具有四个(4)电池的燃料电池堆，本领域技术人员将理解本发明不限于所述燃料电池堆，也不受燃料电池堆中的电池数目的限制。在替代性实施方案中，燃料电池组件12可以包括单个燃料电池或者具有比本实施方案中所示的更多或更少的电池。
[0020]燃料经由燃料入口 24周期性地供应至一系列第一通道20和容器34。燃料可以为纯氢气或与惰性气体例如氮气或氩气混合的氢气。在一个实施方案中，燃料在约2巴的压力下供应至燃料电池组件12。
[0021]氧化剂经由氧化剂入口 28供应至一系列第二通道22。氧化剂可以为氧气或空气。
[0022]第一阀32被布置成控制燃料至燃料电池组件12的供应。燃料至燃料电池组件12的供应可以为时间调节的、压力调节的或时间和压力调节的。在本实施方案中，第一阀32为电致动阀。在一个实施方案中，第一阀32可以为螺线管止回阀，所述螺线管止回阀流体连接至燃料电池装置10的燃料入口 24从而在一定的压力范围下周期性地供应燃料。在一个实施方案中，第一阀32可以被布置成以周期性的时间间隔连续地打开和关闭。在所述实施方案中，第一阀32可以例如被布置成在关闭之前保持打开达约3秒(s)和约20s之间的期间，并且第一阀32可以例如被布置成在再次打开之前保持关闭达约Is和约7s之间的期间。在相同或不同的实施方案中，第一阀32可以被布置成根据燃料电池组件12的压力连续地打开和关闭。在一个所述实施方案中，第一阀32可以被布置成当燃料电池组件12中的压力降低至约1.5巴的预定水平时再次自动打开。
[0023]容器34被布置成当燃料被供应至燃料电池组件12时，接收和保留燃料的一部分和水(均为液体和蒸汽形式)，并且当切断燃料至燃料电池组件12的供应时，使容器34中的燃料经由燃料出口 26返回至燃料电池组件12。在所示实施方案中，容器34经由第一通道20流体连接至燃料电池组件12的阳极18并且堵住燃料出口 26从而形成在阳极死端模式下操作的燃料电池系统。容器34充当压力转换室并且可以为具有入口的任何封闭容器，所述入口流体连接至燃料出口 26。容器34可以具有圆柱体、立方体或球体形式的形状，最优选具有圆柱体形状。在本实施方案中，容器34具有至少约5巴的压力阻力。容器34可以由金属、聚合物、复合材料或陶瓷制成。
[0024]第二阀40被布置成控制液体水38从容器34中的排出。积累在容器34底部处的冷凝水38可以通过水出口 36经由第二阀40手动或自动地排出。由于反应中产生的水的量有限，在数小时或甚至数天内仅需要一次排水过程。因此，第二阀40通常关闭。
[0025]现在将参考图2在下文中描述图1的燃料电池装置10的操作。
[0026]现在参考图2，显示了操作燃料电池的方法50的流程图。方法始于步骤52，在步骤52中燃料和氧化剂供应至燃料电池组件12。在该步骤中，第一阀32打开并且燃料流入一系列第一通道20以及容器34。燃料中的氢原子分裂成质子和电子并且质子通过膜14进入阴极16，在阴极处质子与氧原子和通过外部回路(未示出)到达的电子组合从而形成水。通过外部回路中的电子的流动产生电流。燃料的一部分被迫通过燃料电池组件12并且经由燃料出口 26进入容器34。
[0027]阴极16中产生的水帮助保持膜14被水饱和。这有益于膜14中的质子扩散并且帮助减少电阻损失。当从阴极16至阳极18的水扩散超过从阳极18经由电渗拖曳返回的水的量时，水可以积累在阳极侧中并且邻接燃料电池组件12的流动通道。
[0028]当第一阀32打开时，燃料电池组件12中的压力高于容器34中的压力。反应试剂气体(在该实施方案中为燃料)因此流入容器34并且使过量的水进入容器34。因此，燃料电池组件12中的水通过燃料的对流流动经由第一出口 26进入容器34。更具体地，第一通道20的下游部分中积累的水通过气态燃料流动的对流力进入容器34。
[0029]在步骤54中，燃料的被迫通过燃料电池组件12的部分和通过燃料的对流力进入容器34的水保持在容器3