CN101548424B - 燃料电池系统及其清洗方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统，包括：转化器，用于使用燃料产生转化气；燃料电池堆，用于使用所述转化气和氧化剂产生电能；以及阀门单元，用于通过采用包含在所述转化气中的二氧化碳来填充所述燃料电池堆，从而对所述燃料电池堆进行清洗。阀门单元包括：供应阀门，供应阀门安装在供应线上，供应线将转化器和燃料电池堆的入口互连起来；回收阀门，回收阀门安装在回收线上，回收线将转化器和燃料电池堆的出口互连起来；以及旁路阀门，旁路阀门安装在旁路线上，旁路线将供应线和排出线互连起来。

Description

燃料电池系统及其清洗方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。更具体地，本发明涉及设计为能够有效地将燃料电池中产生的水分排出的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池被设计成使用燃料(氢气或转化气)和氧化剂(氧气或空气)以电化学方式产生电能。即，燃料电池利用燃料(氢气或转化气)和氧化剂(氧气或空气)之间的电化学反应来产生电能。

将纯氧气或者含有大量氧气的空气用作氧化剂。将纯氢气或者通过转化基于烃的燃料(例如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)和CH₃OH)而产生的含有大量氢气的燃料用作燃料。

为了更好地理解以及容易进行说明，先对燃料电池中的聚合物电解质膜燃料电池进行说明。聚合物电解质膜燃料电池具有较高的浓度以及相对较高的能量转换效率，并且能够在80℃或更低的较低的温度下工作。另外，聚合物电解质膜燃料电池可以小型化并密封，从而已经在例如无污染汽车、家用电源设备、移动通信设备、军事设备、医疗设备等领域中广泛用作电源。

聚合物电解质膜燃料电池系统包括转化器，用于从含有大量氢气的燃料产生转化气。还包括燃料电池堆，用于使用转化气来发电。

也就是说，将转化气和氧气提供给燃料电池堆，通过氢氧反应来发电。对于使用转化气作为反应气的燃料电池系统，当系统停止运行并且转化气保留在燃料电池堆中时，聚合物电解质层或者氢气和空气电极上形成的催化层可能会损坏。为了防止这种情况出现，停止转化气的提供，而提供属于惰性气体的氮气(N₂)将剩余在燃料堆中的转化气清除。

但是，使用氮气进行清洗具有局限性，这种局限性在于必须从外部提供氮气，从而需要额外的设备来提供氮气。这增加了燃料电池系统的制造成本。另外，由于安装氮气容器的空间有限，因此，这种额外的设备变成了燃料电池系统商业化的主要障碍。

上面在背景技术部分公开的信息仅仅是为了增强对本发明背景的理解，因此其可能包含并不构成本国本领域技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

技术问题

由于使用氮气进行清洗需要额外的设备，因此会增加制造成本。另外，由于要在有限的空间中安装氮气容器，额外的设备变成了燃料电池系统商业化的主要障碍。因此，需要能够更加容易和有效地清洗燃料电池系统的清洗系统和方法。

技术方案

为了满足上述需要，根据本发明示例性实施例的燃料电池系统包括：转化器，用于使用燃料产生转化气；燃料电池堆，用于使用转化气和氧化剂产生电能；以及阀门单元，阀门单元包括供应阀门，供应阀门安装在供应线上，供应线将转化器和燃料电池堆的入口互连起来。阀门单元还包括回收阀门。回收阀门安装在回收线上。回收线将转化器和燃料电池堆的出口互连起来。阀门单元还包括旁路阀门。旁路阀门安装在旁路线上。旁路线将供应线和排出线互连起来。

电压降低单元可以连接到燃料电池堆，阀门可以是电磁阀门。

压力传感器可以安装在燃料电池堆的入口，燃料可以是基于烃的燃料。

根据本发明示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法包括：将燃料电池堆和负载之间的电连接断开，减少提供给燃料电池堆的转化气的量，打开供应阀门和和安装在旁路线上的旁路阀门(其中的供应阀门用于控制转化气向燃料电池堆的供应)，并关闭回收阀门(回收阀门用于控制从燃料电池堆回收的转化气的排放)，以及通过消耗燃料电池堆中的氢气，采用二氧化碳填充燃料电池堆。

在采用二氧化碳填充燃料电池堆的过程中，氢气的消耗可以通过连接到燃料电池堆的电压降低单元来实现。

在采用二氧化碳填充燃料电池堆的过程中，可以消耗氢气直到燃料电池堆的电池电压变为0.5V或更低为止。

在减少转化气的量的过程中，可以将转化气减少到正常工作中转化气的量的1/3-1/5，优选地减少到1/4。

根据本发明另一示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法包括：a)将燃料电池堆和负载之间的电连接断开，b)减少提供给燃料电池堆的转化气的量，c)打开安装在燃料电池堆的入口的供应阀门，并关闭安装在旁路线上的旁路阀门和安装在燃料电池堆的出口的回收阀门，d)打开旁路阀门并关闭供应阀门，e)通过消耗包含在燃料电池堆中的转化气中的氢气，降低燃料电池堆的内部压力，f)当燃料电池堆的最大电池电压与参考电压进行比较并且判断出大于参考电压时，重复步骤c)至e)，以及g)当最大电池电压等于或小于参考电压时关闭供应阀门。

在步骤e)中，氢气的消耗可以通过连接到燃料电池堆的电压降低单元来实现。在步骤d)中，当燃料电池堆中的转化气的压力为8-15kPa时，旁路阀门可以打开，供应阀门可以关闭。

在步骤e)中，可以消耗氢气直到燃料电池堆中的转化气减少到1-3kPa并且参考电压为0.5V为止。

有益效果

如上所述，燃料电池堆可以通过包含在转化气中的二氧化碳来清洗，而不需要使用氮气。因此，不需要氮气容器来储存氮气，从而制造成本可被降低。特别地，由于不需要提供单独的清洗设备，电子设备的燃料电池系统可以很容易地设计。

附图说明

图1是根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

图2是示出根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法的流程图。

图3是示出根据本发明第二示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行进一步的详细说明，其中示出了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将明白，所描述的实施例可以采用各种方式进行修改，而不脱离本发明的实质和范围。

图1是根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

参考图1，根据本示例性实施例的燃料电池系统可以采用聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，这种聚合物电解质膜燃料电池通过转化燃料来产生氢气，并通过氧气和氢气之间的电化学反应产生电能。

通常将处于液相或气相状态的基于烃的燃料用作燃料电池系统中的燃料，这些基于烃的燃料有例如甲醇、乙醇、天然气、LPG等。

用于燃料电池系统中并与氢气反应的氧气可以存储在单独的存储单元中。

根据本示例性实施例的燃料电池系统包括转化器110，转化器110使用燃料产生转化气；燃料电池堆210，燃料电池堆210连接到转化器110并使用转化气和氧化剂产生电能；阀门单元320，用于控制转化器110到燃料电池堆210的连接；以及负载230和电压降低单元220，它们连接到燃料电池堆210。

转化器110是燃料处理单元，其通过转化燃料来产生氢气，将氢气提供给燃料电池堆210。用于提供燃料的燃料箱120，用于提供空气的气泵140以及用于提供水的水箱130连接到转化器。

转化器110使用所提供的燃料产生热量，并进一步通过使用所产生的热量进行的氧化反应从燃料中产生包含大量氢气的转化气。

转化气通过燃料电池堆210和转化器110之间的供应线312被引导至燃料电池堆210。根据本示例性实施例的燃料电池堆210的结构通常具有多个逐个堆起来的燃料电池(未示出)，并通过氧化还原反应产生电能。各种不同结构的燃料电池堆可以应用到本发明的燃料电池系统。即，本发明的燃料电池堆210并不限于一种特定的结构。

通过连接到燃料电池堆210的气泵250给燃料电池堆210提供转化气和包含氧气的空气。燃料电池堆210通过让包含在空气中的氧气与包含在转化气中的氢气进行反应来产生电能。

燃料电池堆210包括多个燃料电池，每个燃料电池为产生电能的最小单元。燃料电池可以在膜电极组件(MEA)的相对侧放置分隔器来构成。用于测量燃料电池堆210中的转化气的压力的压力计270安装在燃料电池堆210与供应线312连接的入口212处。

消耗由燃料电池堆210产生的电能的负载230电连接到燃料电池堆210。负载230可以包括各种电子设备，例如车辆的电动机，用于将直流电转换成交流电的逆变器，或者家用加热设备。

另外，电压降低单元220连接到燃料电池堆210。电压降低单元220的功能为当燃料电池堆210被清洗时消耗电能。

根据本示例性实施例的电压降低单元220是将很小的负载施加到每个燃料电池的设备。当输入工作命令信号，将电流施加到串联光电耦合器的光电二极管使得光电耦合器内部晶体管导通，一组四个单元电池构成的电路串联连接同时工作时，电压降低单元的工作通过电压降低电路的工作来进行。

同时，将燃料电池堆210的出口214连接到转化器110的回收线314和将回收线314连接到供应线312的旁路线316进一步安装在转化器110和燃料电池堆210之间，以回收未反应的尚未在燃料电池堆210中消耗的转化气。

用于控制各个线的打开/关闭的阀门单元320安装在线上。阀门单元320包括安装在供应线312上的供应阀门321，安装在回收线314上的回收阀门323以及安装在旁路线316上的旁路阀门325。

旁路线316比供应阀门321和回收阀门323更为接近转化器110。因此，来自转化器110的转化气可以通过旁路线316返回至转化器110，即使是在供应阀门321和回收阀门323被关闭时。阀门321、323和325可以是电磁阀门。

图2是示出根据本发明第一示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法的流程图。

参考图2，基于烃的燃料，例如LNG、LPG等用作本示例性实施例的燃料。通过对烃进行转化获得的转化气包括约70-75％的氢气(H₂)、约20％的二氧化碳(CO₂)以及其他气体，例如氮气。

根据本示例性实施例，代替将属于惰性气体的氮气提供给燃料电池堆210来清洗燃料电池堆210中的氢气，将包含在转化气中的二氧化碳气体填充进燃料电池堆210。

为了上文所述目的，根据本示例性实施例用于燃料电池系统的清洗方法包括下述步骤：将燃料电池堆210和负载230之间的电连接断开(S201)，减少提供给燃料电池堆210的转化气的量(S202)，打开供应阀门以及旁路阀门321和325并关闭回收阀门323(S203)，在消耗燃料电池堆中的氢气的同时采用二氧化碳填充燃料电池堆210(S204)，关闭供应阀门(S205)，以及停止燃料电池系统的工作(S206)。

在减少提供给燃料电池堆210转化气的量的步骤S202中，提供给燃料电池堆210的转化气的量可以被减少到正常工作中转化气的量的1/3-1/5，优选地减少到1/4。

减少的转化气的量根据电压降低单元220的容量来确定。即，随着电压降低单元220的功耗增加，转化气的供应量增加。随着电压降低单元220的功耗减少，转化气的供应量减少。

在步骤S203中，当供应和旁路阀门321和325打开并且回收阀门323关闭时，预定量的转化气进入燃料电池堆210，剩余的转化气沿着旁路线316引导至转化器110。在该状态下，当电压降低单元220在工作时，进入到燃料电池堆210中的转化气中所包含的氢气由电压降低单元220所消耗。此时，由于回收阀门323被关闭，转化气中包含的二氧化碳填充在燃料电池堆210中。

同时，当较大量的转化气在关闭回收阀门323的情况下提供给燃料电池堆210时，燃料电池堆210的内部压力可能会过度增加。因此，当燃料电池堆210的内部压力增加到超过预定水平时，安装有旁路线316和旁路阀门325来允许转化气通过旁路线316而绕过。

当二氧化碳的填充完成时，供应阀门321被关闭，使得转化气停止进入燃料电池堆210。随着燃料电池堆210中二氧化碳的量的增加，氢气的量相对减少，从而电池电压逐渐下降。步骤S204继续进行，直到电池电压变为0.5V为止，此后供应阀门被关闭。

根据本示例性实施例，由于包含在转化气中的二氧化碳在燃料电池系统停止工作期间被用来清洗燃料电池堆中的氧气，不需要单独的氮气存储罐。因此，燃料电池系统的制造成本下降，燃料电池系统的体积和重量减小。

图3是示出根据本发明第二示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法的流程图。

参考图3，根据本示例性实施例的燃料电池系统的清洗方法包括下述步骤：将燃料电池堆210和负载230之间的电连接断开(S301)，减少提供给燃料电池堆210的转化气的量(S302)，打开供应阀门321并关闭回收阀门和旁路阀门323和325(S303)，关闭供应阀门321并打开旁路阀门325(S304)，通过消耗包含在燃料电池堆中的氢气，降低燃料电池堆210的内部压力(S305)，当电池电压大于参考电压时重复步骤S303至S305(S306)，当电池电压等于或小于参考电压时关闭供应阀门321(S307)，以及停止燃料电池系统的工作(S308)。

在步骤S302中，提供给燃料电池堆210的转化气的量可以减少到正常工作中转化气的量的1/3-1/5，优选地减少到1/4。

在步骤S303中，当转化气在回收阀门323被关闭的情况下提供给燃料电池堆210时，燃料电池堆210的内部压力增加。因此，燃料电池堆210中的转化气的压力被测量，并且当确定转化气的压力增加到参考压力时，供应阀门321被关闭，旁路阀门325被打开。当燃料电池堆210中的转化气的压力为8-15kPa时，供应阀门321被关闭，旁路阀门325被打开。燃料电池堆210中的转化气的参考压力是根据燃料电池堆210的大小和结构而确定在上述范围内的。

在步骤S304中，当供应阀门321被关闭并且旁路阀门325被打开时，对燃料电池堆210的转化气的供应被停止，转化气通过旁路线316返回至转化器110。

在步骤S305中，燃料电池堆210中的氢气被消耗，直到燃料电池堆210的内部压力变为1-3kPa。

另外，随着燃料电池堆210中的氢气的消耗增加，电池电压被降低。因此，消耗氢气的过程可以参照电池电压来进行。即，燃料电池堆210中的氢气可以连续地被消耗，直到电池电压变为0.5-0.3V。因此，作为替换，氢气的消耗可以保持到燃料电池堆的内部压力变为1-3kpa或者电池电压变为0.5-0.3V为止。

当在氢气消化过程中电池电压大于参考电压时，步骤S303-S305被重复，以采用二氧化碳来填充燃料电池堆210。

由于参考电压被设为0.5V，当最大电池电压在步骤S303-S305重复过程中变为0.5V或更少时，供应阀门被关闭，燃料电池系统停止工作。

根据本示例性实施例，随着将转化气提供给燃料电池堆210以及消耗氢气的过程被重复，燃料电池堆中的氢气可被移除，同时二氧化碳被填充进燃料电池堆。

虽然本发明根据给出的认为是实际的示例性实施例来进行了说明，应该理解本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明是要包含各种包括在本发明所附权利要求的实质和范围内的修改和等同安排。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，包括：

转化器，用于使用燃料产生转化气，

燃料电池堆，用于使用所述转化气和氧化剂产生电能，以及

阀门单元，用于通过采用包含在所述转化气中的二氧化碳填充所述燃料电池堆，从而对所述燃料电池堆进行清洗，其中所述阀门单元包括供应阀门、回收阀门和旁路阀门，所述供应阀门安装在供应线上，所述供应线将所述转化器和所述燃料电池堆的入口互连起来，所述回收阀门安装在回收线上，所述回收线将所述转化器和所述燃料电池堆的出口互连起来，所述旁路阀门安装在旁路线上，所述旁路线将所述供应线和排出线互连起来并且比所述供应阀门和所述回收阀门更为接近所述转化器，以及

电压降低单元，连接到所述燃料电池堆。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述阀门为电磁阀门。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括安装在所述燃料电池堆入口的压力传感器。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料是基于烃的燃料。

5.一种燃料电池系统的清洗方法，所述清洗方法包括：

将燃料电池堆和负载之间的电连接断开；

减少提供给所述燃料电池堆的转化气的量；

打开供应阀门以及安装在旁路线上的旁路阀门，并且关闭回收阀门，所述供应阀门用于对提供所述转化气给所述燃料电池堆进行控制，所述回收阀门用于控制从所述燃料电池堆回收的转化气的排放，其中所述旁路线将安装所述回收阀门的回收线连接到安装所述供应阀门的供应线，所述旁路线比所述供应阀门和所述回收阀门更为接近用于产生所述转化气的转化器，所述回收线将所述燃料电池堆的出口连接到所述转化器，以及所述供应线将所述转化器连接到所述燃料电池堆的入口；以及

通过消耗所述燃料电池堆中的氢气，采用包含在所述转化气中的二氧化碳填充所述燃料电池堆。

6.根据权利要求5所述的清洗方法，其中，在采用二氧化碳填充所述燃料电池堆的过程中，所述氢气的消耗通过连接到所述燃料电池堆的电压降低单元来实现。

7.根据权利要求5和6之一所述的清洗方法，其中，在采用二氧化碳填充所述燃料电池堆的过程中，所述氢气被一直消耗直到所述燃料电池堆的电池电压变为0.5V或更少。

8.根据权利要求5和6之一所述的清洗方法，其中，在减少所述转化气的量的过程中，所述转化气减少到正常工作中转化气的量的1/3-1/5。

9.根据权利要求5和6之一所述的清洗方法，其中，在减少所述转化气的量的过程中，所述转化气减少到正常工作中转化气的量的1/4。

10.一种燃料电池系统的清洗方法，所述清洗方法包括：

a)将燃料电池堆和负载之间的电连接断开；

b)减少提供给所述燃料电池堆的转化气的量；

c)打开安装在所述燃料电池堆的入口的供应阀门，并关闭安装在旁路线上的旁路阀门和安装在所述燃料电池堆的出口的回收阀门，其中所述旁路线将安装所述回收阀门的回收线连接到安装所述供应阀门的供应线，所述旁路线比所述供应阀门和所述回收阀门更为接近用于产生所述转化气的转化器，所述回收线将所述燃料电池堆的出口连接到所述转化器，以及所述供应线将所述转化器连接到所述燃料电池堆的入口；

d)打开所述旁路阀门并关闭所述供应阀门；

e)通过消耗包含在所述燃料电池堆中的转化气中的氢气，降低所述燃料电池堆的内部压力；

f)当所述燃料电池堆的最大电池电压与参考电压进行比较并且判断出所述最大电池电压大于所述参考电压时，重复步骤c)至e)；以及

g)当所述最大电池电压等于或小于所述参考电压时关闭所述供应阀门。

11.根据权利要求10所述的清洗方法，其中，在步骤e)中，所述氢气的消耗通过连接到所述燃料电池堆的电压降低单元来实现。

12.根据权利要求10所述的清洗方法，其中，在步骤d)中，当所述燃料电池堆中的转化气的压力为8-15kPa时，所述旁路阀门被打开，所述供应阀门被关闭。

13.根据权利要求10所述的清洗方法，其中，在步骤e)中，所述氢气被一直消耗直到所述燃料电池堆中的转化气的压力降低到1-3kPa。

14.根据权利要求10所述的清洗方法，其中所述参考电压为0.5V。

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