CN101425582B - 燃料电池系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统及其操作方法。在一个实施例中，燃料电池系统包括：燃料供给装置；重整器，通过重整反应将燃料供给装置供给的燃料重整成氢气；以及燃料电池组，通过氢气和氧化剂之间的电化学反应来产生电能。当燃料电池系统将要停止时，重整器的重整反应和燃料电池的电化学反应以及向重整器的加热器供给空气停止，并且一部分未经重整的燃料供给到重整器和燃料电池组。使剩余氢发生反应，并通过能量消耗电路消耗燃料电池组的残余能量。通过在停止状态下从燃料电池组大量地去除氢，减少了损坏燃料电池薄膜的反应。

Description

燃料电池系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统。更具体地，本发明涉及一种燃料电池系统以及在关闭和开启时的该燃料电池系统的操作方法。

背景技术

燃料电池用作通过燃料的氧化反应和氧化剂的还原反应而产生电能的电产生系统。根据所使用的燃料的类型，这种燃料电池可以分为聚合物电解质薄膜燃料电池和直接氧化薄膜燃料电池。

与直接氧化薄膜燃料电池相比，聚合物电解质薄膜燃料电池一般具有较好的输出特性、较低的工作温度、和更快的启动和响应特性。聚合物电解质薄膜燃料电池已经广泛地用作车辆的电源、住宅和公共建筑物的分布式电源、以及电子器件的紧凑型电源。

采用聚合物电解质薄膜燃料电池的燃料电池系统一般包括燃料电池组、重整器、燃料供给装置和氧化剂供给装置。燃料供给装置一般包括燃料箱和燃料泵，并将燃料供给到重整器。重整器由燃料产生氢气并将氢气供给到电池组。电池组通过氧化剂和来自重整器的氢气之间的电化学反应来产生电能。

然而，在根据现有技术的采用聚合物电解质薄膜燃料电池的燃料电池系统中，在系统停止之后，可能从残留在电池组中的氢气中产生过氧化氢(H₂O₂)。这可能使薄膜-电极组件(MEA)的电解质薄膜脱水，从而使其性能变差。这可能导致电解质导电性降低。因此，当系统重新启动时，系统性能不能快速恢复。

上述背景部分中公开的信息仅仅用于增强对本发明背景技术的理解，因此其可能含有不构成现有技术、但已在本国对本领域普通技术人员公知的信息。

发明内容

本发明提供了一种燃料电池系统及其操作方法，具有如下优点：在系统已经停止之后重新启动时，系统性能可以快速恢复。这可以通过在系统关闭时用未经重整的燃料填充电池组来实现。

在一个实施例中，本发明提供了一种燃料电池系统，其包括燃料供给装置、重整器、燃料电池组、第一阀和控制器。重整器通过重整反应将燃料供给装置供给的燃料重整成氢气，燃料电池组通过重整器供给的氢气和氧化剂之间的电化学反应来产生电能。第一阀设置在燃料供给装置和重整器之间，用于有选择地将燃料供给到重整器或阻挡燃料供给到重整器。控制器用于在重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应停止之后使第一阀打开一段时间。

燃料电池系统还可包括能量消耗电路，该能量消耗电路电连接到燃料电池组，以在燃料电池组的电化学反应停止时消耗燃料电池组的剩余能量。在一实施例中，能量消耗电路由外部信号控制。

重整器还可包括产生蒸汽的蒸发器和通过一部分燃料在空气中燃烧而产生热能的加热器。

燃料电池系统还可包括燃料再循环管道，该燃料再循环管道设置在燃料电池组和蒸发器之间，从而在燃料电池系统重新启动时使燃料从燃料电池组再循环到蒸发器。

本发明的另一实施例提供了一种操作上述燃料电池系统的方法。该方法包括：基于停止信号，使重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应停止；将一部分未经重整的燃料供给到重整器和燃料电池组；以及消耗燃料电池组的能量，以清除电池组中任何未反应的氢。

为了使重整反应和电化学反应停止，可以通过中断燃料和/或空气流到重整器的加热器，使得用于重整反应的热能停止产生。

在本发明的实施例中，在重整器的温度低于预定温度时，可以将那部分未经重整的燃料供给到重整器和燃料电池组。这防止了燃料在重整器中发生反应。

用于重整器的合适的催化剂包括钌、氧化铝及其组合物。根据本发明的这种实施例，当重整器的温度已经冷却到200℃以下时，未经重整的燃料可以供给到重整器和电池组。合适的燃料包括甲烷、丙烷、丁烷及其组合物。

在本发明的实施例中，在未经重整的燃料已经供给到电池组之后，使残留在燃料电池组中的任何剩余氢发生反应，所得到的能量通过能量消耗电路消耗。在一实施例中，当燃料温度为80℃时，能量可以消耗0.2伏。

在燃料电池系统的操作已经停止之后，燃料电池系统的操作方法还可包括响应于重新启动信号释放燃料电池中的未经重整的燃料。根据本发明的实施例，未经重整的燃料从燃料电池组释放并再循环到重整器，例如到重整器的蒸发器段。

在另一实施例中，本发明提供了一种燃料电池系统，其包括燃料供给装置、燃料电池组、第一阀、旁通阀和控制器。重整器通过重整反应将燃料供给装置供给的燃料重整成氢气，燃料电池组通过重整器供给的氢气和氧化剂之间的电化学反应来产生电能。第一阀设置在燃料供给装置和重整器之间，用于有选择地将燃料供给到重整器或阻挡燃料供给到重整器，而旁通阀设置在将燃料供给装置连接到燃料电池组的旁通管道上。旁通阀可以用于有选择地提供或阻挡到燃料电池组的燃料流动。控制器按照上面所讨论的来操作第一阀，并通过在重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应停止之后使旁通阀打开一段时间来操作旁通阀。

在另一实施例中，本发明提供了一种用于操作这种燃料电池系统的方法。该方法包括：基于停止信号，使重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应停止；在防止未经重整的燃料流入重整器的同时，将一部分未经重整的燃料供给到燃料电池组；以及消耗燃料电池组的能量。

在根据若干实施例的燃料电池系统和用于操作该燃料电池系统的方法中，当系统停止时，一部分未经重整的燃料填充电池组，从而使任何残余氢发生反应以产生剩余能量，该剩余能量通过能量消耗电路消耗。这样，可以防止电解质薄膜的恶化和脱水，从而当系统重新启动时，可以更快地恢复系统性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的示意图。

图2是用于操作图1所示的燃料电池系统的方法的流程图。

图3是根据图1所示实施例的变型的燃料电池系统的示意图。

图4用于操作图3所示的燃料电池系统的方法的流程图。

具体实施方式

参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的实施例。正如本领域技术人员将理解的，可以在不偏离本发明的精神或范围的条件下，用许多不同的方式修改所描述的实施例。

图1是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的示意图。该燃料电池系统设计成使得当燃料电池系统停止时可以将一部分未经重整的燃料提供给燃料电池组10。可以防止电解质薄膜的恶化和脱水。因此，在燃料电池系统重新启动时，燃料电池系统可以快速产生电能。

燃料电池组10包括多个单元电池(unit cell)，这些单元电池以堆叠的构造布置，端板位于堆叠单元电池的最外侧。单元电池是产生电能的最小单元。

每个单元电池包括引起电化学反应的薄膜电极组件(MEA)和设置在薄膜电极组件两侧的板形隔板。第一隔板面对位于薄膜电极组件第一侧的阳极电极，第一沟槽形成在该第一侧。第一隔板称为阳极隔板。第二隔板面对薄膜电极组件第二侧的阴极侧，第二沟槽形成在该第二侧。第二隔板称为阴极隔板。氢气在第一隔板的第一沟槽中流动，诸如氧的氧化剂或空气在第二隔板的第二沟槽中流动。这样，单元电池可以通过氢和氧化剂之间的电化学反应来产生电能。

燃料电池系统还包括燃料供给装置20，在该实施例中，燃料供给装置20包括用于贮存燃料的燃料箱和用于供给燃料的泵。在该实施例中，燃料供给装置20将燃料供给到向电池组产生氢的重整器30。然而，本发明不限于此。在另一实施例中，燃料供给装置包括可以在无需泵的条件下直接向重整器供应燃料的加压燃料箱。在又一实施例中，燃料供给装置可以根据另一燃料电池方案直接向电池组10供给燃料。

重整器30将燃料供给装置20供给的燃料重整成氢气并将氢气提供给电池组10。重整器可以利用不完全氧化反应、自热重整反应或蒸汽重整反应中的一种或多种。根据图1的实施例，重整器30利用蒸汽重整反应。重整器30包括蒸发器31、加热器33和重整反应器34。水泵32将水供应到蒸发器31以产生用于重整反应的蒸汽。来自空气泵35的空气和来自燃料供给装置20的一部分燃料被供应到加热器33，在此处，空气和燃料之间的燃烧反应向重整反应器34提供热能以使重整反应易于进行。重整反应器34利用蒸汽重整反应从燃料产生氢气。

氧化剂供给装置40将氧化剂供给到电池组10。根据该实施例，氧化剂供给装置40是将来自大气的空气供给到电池组10的空气泵。

第一阀51设置在燃料供给装置20与重整器30之间。第一阀51有选择地允许或阻挡燃料从燃料供给装置20流向重整器30。电池组入口阀52设置在重整器30与电池组10之间，以有选择地允许或阻挡燃料或氢从重整器30流向电池组10。然而，对于该实施例，由于第一阀51确定燃料是否供给到重整器，因此电池组入口阀52是可选的。

为了更完全地从电池组10去除任何残留的氢，设置一与电池组10电连接的能量消耗电路60。允许残留氢在燃料电池组10中继续反应，而能量消耗电路60吸取由这种反应生成的残余能量。在一实施例中，能量消耗电路60是由一外部信号(未示出)控制的电阻电路，当电池组10的电化学反应停止时，施加该外部信号。然而，能量消耗电路并不受限于此，而是可以包括用于消耗电能量负载的任何电路或器件。

根据本发明的实施例，燃料再循环管道70将电池组10连接到蒸发器31，从而，当燃料电池系统重新启动时，已经供给到燃料电池组10的那部分未经重整的燃料可以再次循环回到重整器30。

控制器80连接到第一阀51，并控制第一阀51的操作。控制器80在燃料电池系统正常工作期间使第一阀51打开。在重整器30的重整反应和电池组10的电化学反应已经停止并且重整器已经充分冷却以防止燃料进一步反应之后，控制器80使第一阀51打开一段时间，以将一部分燃料供给到重整器30和电池组10。

现在将参照图2详细描述燃料电池系统的操作方法，图2是用于操作图1所示燃料电池系统的方法的流程图。根据该实施例的操作燃料电池系统的方法包括使重整器30的重整反应和电池组10的电化学反应停止的步骤S1。这些反应例如在外部停止信号施加到燃料电池系统时停止，例如通过操作者按下关闭按钮而停止。根据一实施例，步骤S1通过使燃料和空气中之一或两者都停止供给到重整器30的加热器33来实现。例如，在通过关闭第一阀51而使燃料停止从燃料供给装置20供给到重整器30之后，可以使供给到加热器33的空气停止一段时间。由于这将使加热器停止产生热能，因此重整反应器34随着时间而冷却下来。

接下来，执行向电池组供给一部分未经重整的燃料的步骤S2。这可以通过如下方法来实现，即，利用控制器80打开第一阀51，由此使未经重整的燃料供给到并至少部分地填充重整器30和电池组10。根据一实施例，为了防止重整反应器34中的副反应，第一阀51仅在重整反应器34的温度处于预定温度以下之后打开。如果钌、氧化铝或组合物用作重整反应器34的催化剂，则第一阀51可以在重整反应器34的温度低于200℃时打开。根据该步骤，一部分未经重整的燃料被提供在第一沟槽中，氧化剂被提供在燃料电池组10的第二沟槽中。

接下来，执行使电池组10能量消耗的步骤S3。在该步骤中，被消耗掉的能量的量可根据燃料温度而改变。例如，当燃料处于80℃时，能量可以消耗0.2伏。该步骤的目的是：当那部分未经重整的燃料已经提供到电池组之后，使残留在电池组10中的氢气发生电化学反应。通过去除基本上全部的残留氢，可以减小电解质薄膜的恶化和脱水。因此，当燃料电池系统重新启动时，燃料电池系统能够快速产生电能。

根据某些实施例，燃料是诸如甲烷、丙烷、丁烷或其组合物的气体燃料。对于这些实施例，在消耗电池组的残留能量时，电池组中的一些燃料可能发生反应并转化成更高阶的烃。例如，丙烷可以转化成己烷，丁烷可以转化成辛烷。电池组中那部分未经重整的燃料连同诸如己烷或辛烷的任何更高阶的烃一起保护电解质薄膜并防止恶化和脱水。

接下来，执行使燃料电池系统的任何剩余操作停止的步骤S4。根据该步骤，可以使燃料电池系统的所有功能停止。

然后，当期望重新启动燃料电池时，执行释放电池组10中的未经重整的燃料的步骤S5。根据一实施例，如果施加燃料电池系统的重新启动信号，则电池组10中的那部分未经重整的燃料可以再次循环到重整器30或再次循环到燃料电池系统的其它元件。在一个实施例中，从电池组10释放的燃料通过再循环管道70再次循环到蒸发器31。

根据该实施例的方法，当系统重新启动时，燃料电池系统的性能并未削弱，从而与现有技术的燃料电池系统相比，可以快速产生电能。

图3是图1的一变型燃料电池系统的示意图。根据该实施例，燃料电池系统还包括旁通管道90，该旁通管道90将一部分燃料从燃料供给装置20供给到电池组10，而绕过重整器30。一部分未经重整的燃料可以有选择地通过旁通管道90从燃料供给装置20供给或通过旁通阀91而与燃料供给装置阻断。

根据该实施例，控制器80控制第一阀51和旁通阀91。当燃料电池系统在正常状态下工作时，控制器80打开第一阀51并关闭旁通阀91。当重整器30的重整反应和电池组10的电化学反应停止时，控制器80使旁通阀91打开一段时间，以允许一部分未经重整的燃料绕过重整器30而直接从燃料供给装置20供给到电池组10。控制器80可以同时关闭第一阀51，以使燃料停止流入重整器30中。

根据所示的实施例，单一控制器80连接到第一阀51和旁通阀91。然而，本发明不限于此。可以使用对应于第一阀51的第一控制器和对应于旁通阀91的第二控制器。

再参照图4，提供了一流程图，示出图3所示燃料电池系统的操作方法。根据所示实施例的操作燃料电池系统的方法包括使重整器30的重整反应和电池组10的电化学反应例如通过外部停止信号而停止的步骤T1。在一个实施例中，可以通过操作者按下关闭按钮来实现停止信号。根据实施例，可以通过该步骤使燃料和空气中之一或两者都停止供给到加热器33，从而使加热器33停止产生热能。在一个实施例中，在燃料的供给被阻挡之后，可以使供给到加热器33的空气停止一段时间。根据一个实施例，当发送停止信号时，通过关闭第一阀51，使未经重整的燃料停止从燃料供给装置20供给到重整器30。这样，重整反应器34的重整反应停止。

接下来，执行将未经重整的燃料供给到电池组的步骤T2。根据该步骤，第一阀51保持关闭，控制器80使旁通阀91打开，从而一部分未经重整的燃料供给到电池组10并至少部分地填充电池组10。根据该步骤，未经重整的燃料通过旁通管道90供给到电池组10，而不通过重整器30。这样，未经重整的燃料被提供在电池组10的第一沟槽中，氧化剂被提供在电池组10的第二沟槽中。

接下来，执行电池组10能量消耗的步骤T3，如上面针对图2的方法所描述的。由此，通过电化学反应几乎消除了残留在电池组10中的全部氢气，从而防止了电解质薄膜的恶化和脱水。因此，当燃料电池系统重新启动时，燃料电池系统快速产生电能。正如前面讨论的，合适的燃料是诸如甲烷、丙烷、丁烷及其组合物的气体燃料。

接下来，可以执行步骤T4，在该步骤中，使燃料电池系统的任何剩余操作停止。然而，在其它实施例中，燃料系统的一些元件可以继续工作。

然后，当期望重新启动燃料电池系统时，执行步骤T5，在该步骤中，例如当已经施加重新启动信号时，之前供给到电池组10的那部分未经重整的燃料被释放。根据一实施例，可以通过使那部分未经重整的燃料再次循环到蒸发器31而将其释放。根据该实施例，当系统重新启动时，燃料电池系统的性能并未削弱，从而快速产生电能。

虽然已经结合目前被认为是实际实施例的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种变型和等同结构。

Claims (23)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料供给装置；

重整器，适于将燃料供给装置供给的燃料重整成氢气；

燃料电池组，适于通过氢气和氧化剂之间的电化学反应来产生电能；

第一阀，用于有选择地将燃料从燃料供给装置供给到重整器或阻挡燃料从燃料供给装置供给到重整器；

控制器，适于在重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应以及向重整器的加热器供给空气已经停止之后使第一阀打开一段时间，从而供给一部分燃料通过重整器并到达燃料电池组，和

能量消耗电路，该能量消耗电路适于在燃料电池组的电化学反应停止时消耗燃料电池组的能量。

2.如权利要求1的燃料电池系统，其中，燃料电池系统还包括燃料再循环管道，该燃料再循环管道适于在燃料电池系统重新启动时使那部分燃料从燃料电池组再循环到重整器。

3.如权利要求1的燃料电池系统，其中，供给到重整器和燃料电池组的那部分燃料是第一燃料部分，并且，重整器还包括适于通过第二燃料部分与空气的燃烧而产生热能的加热器。

4.一种操作燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括用于供给燃料的燃料供给装置、通过重整反应将燃料重整成氢气的重整器、以及通过氢气和氧化剂之间的电化学反应而产生电能的燃料电池组，该方法包括：

使重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应停止；

将一部分燃料供给到重整器和燃料电池组；和

消耗燃料电池组的能量，

其中使重整器的重整反应停止包括中断向重整器的加热器供给空气。

5.如权利要求4的方法，其中，通过停止到重整器的供热，使重整反应和电化学反应停止。

6.如权利要求5的方法，其中，供给到重整器和燃料电池组的那部分燃料是第一燃料部分，并且，重整器还包括加热器，空气和第二燃料部分供给到该加热器，并且，通过中断供给到加热器的第二燃料部分与供给到加热器的空气中至少一个的流动，而使热量停止供给到重整器。

7.如权利要求6的方法，其中，在重整器的温度已经冷却到低于预定温度之后，第一燃料部分供给到重整器和燃料电池组。

8.如权利要求7的方法，其中，重整器包括催化剂，该催化剂包括从钌、氧化铝及其组合物中选出的物质，并且所述预定温度小于或等于200℃。

9.如权利要求4的方法，其中，燃料包括气体燃料。

10.如权利要求9的方法，其中，所述气体燃料包括从由甲烷、丙烷、丁烷及其组合物构成的组中选出的燃料。

11.如权利要求9的方法，其中，能量消耗了0.2伏。

12.如权利要求11的方法，其中，当第一燃料部分的温度小于80℃时，能量被消耗。

13.如权利要求4的方法，还包括在重新启动状态下将第一燃料部分从燃料电池组中释放。

14.如权利要求13的方法，其中，第一燃料部分的释放包括使第一燃料部分再循环到重整器。

15.一种燃料电池系统，包括：

燃料供给装置；

重整器，适于将燃料供给装置供给的燃料重整成氢气；

燃料电池组，适于通过氢气和氧化剂之间的电化学反应来产生电能；

旁通阀，用于有选择地阻挡一部分燃料从燃料供给装置供给到燃料电池组或从燃料供给装置供给一部分燃料到燃料电池组；

控制器，适于在重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应以及向重整器的加热器供给空气已经停止之后使旁通阀打开一段时间，从而使一部分燃料供给到燃料电池组，和

能量消耗电路，适于在燃料电池组的电化学反应已经停止之后消耗燃料电池组的能量。

16.如权利要求15的燃料电池系统，其中，燃料电池系统还包括燃料再循环管道，该燃料再循环管道适于在燃料电池系统重新启动时使燃料从燃料电池组再循环到蒸发器。

17.如权利要求15的燃料电池系统，其中，供给到燃料电池组的那部分燃料是第一燃料部分，并且重整器还包括适于通过第二燃料部分与空气的燃烧而产生热能的加热器。

18.一种操作燃料电池系统的方法，该燃料电池系统包括用于供给燃料的燃料供给装置、通过重整反应将燃料重整成氢气的重整器、以及通过氢气和氧化剂之间的电化学反应而产生电能的燃料电池组，该方法包括：

使重整器的重整反应和燃料电池组的电化学反应停止；

在停止向重整器的燃料供给时，将一部分燃料供给到燃料电池组；和

消耗燃料电池组的能量，

其中使重整器的重整反应停止包括中断向重整器的加热器供给空气。

19.如权利要求18的方法，其中，燃料包括气体燃料。

20.如权利要求19的方法，其中，所述气体燃料包括从由甲烷、丙烷、丁烷及其组合物构成的组中选出的燃料。

21.如权利要求19的方法，其中，能量消耗了0.2伏。

22.如权利要求18的方法，还包括在重新启动状态下将那部分燃料从燃料电池组中释放。

23.如权利要求22的方法，其中，第一燃料部分的释放包括使第一燃料部分再循环到重整器。

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