CN101651214A - 燃料电池系统与操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统与操作方法，为了实现燃料电池系统阴极与阳极间的短路，从而理想地调整运行状态、系统设计及系统参数，从而最大限度地消除阳极和阴极(催化剂)的中毒，以及平衡水管理。因此本发明在负载支路中设置了控制元件(8)，其包含两个串联的MOS管(9，10)，每个MOS管包含一个主电流通道(11)和一个与主电流通道(11)并联的内部二极管(12)，其内部二极管(12)反向连接，从而在短路期间切断负载，而没有产生反向电流的危险。这使得燃料电池系统对于参数变化能够作出安全迅速的反应，即使经过很长一段时间闲置后也能为负载提供稳定的功率输出，因而通过最小化系统内部电力需求以达到降低成本和减轻重量的目的。

Description

燃料电池系统与操作方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，其包括：至少一个包含阳极端口和阴极端口的燃料电池；一条包含一个开关并连接上述端口的短路支路；包含控制或开关元件以连接负载的支路；这项发明进一步涉及一种操作燃料电池系统的方法。

背景技术

燃料电池技术是众所周知的。燃料电池系统是一种电化学装置，其将燃料和氧化剂进行反应以产生电力和水。一种典型反应以氢气作为燃料，以空气作为氧化剂。其它的燃料和氧化剂可以根据具体的运行条件来提供。

燃料电池在两个电极界面分别进行反应以产生电动势，两个电极界面共用同一电解质。以使用氢气和空气的燃料电池为例，氢气被输送到第一个电极——阳极上，在催化剂的作用下发生反应产生电子和质子。电子通过连接两个电极的外电路传导到第二个电极——阴极上。质子通过电解质传导到阴极。此时空气中的氧气被输送到阴极，在催化剂的作用下被还原，和从外电路来的电子和(从电解质中来的)质子结合产生了该反应的产物-水。该反应的反应焓部分转换为电能在外电路中被消耗，部分转换为热能被释放。聚合物电解质膜(polymer-electrolyte-membrane)经常被用做质子交换膜燃料电池的电解质。

燃料电池系统至少包含一个燃料电池，优选多个燃料电池连接起来以提供更高的输出电压。多个燃料电池的构造可以以平面的形式或传统的堆叠形式。如果以空气作为典型的阴极反应物——以氢气作为燃料，堆叠的设计可根据用电器的需要而变化。开放的阴极设计具有质量轻的优点；反应的空气是由外部的鼓风机通过开放的通道输送到阴极的，空气也通常作为冷却介质。在封闭的阴极设计中，反应的空气被泵入电堆，阴极腔室相对于外界是密封的。

每个燃料电池在阳极和阴极侧都包括分配反应物的材料——气体扩散层。特别是阴极侧的气体扩散层，其选择对系统设计是敏感的。根据不同的堆叠设计，气体扩散层的氧气和水蒸汽的有效扩散系数是可调节的。有效扩散系数描述了通过多孔介质孔隙的扩散，因为它定义了整个孔隙空间，而非单个的孔，因此它是一个宏观参数。有效扩散系数由对介质传输有效的孔隙率，曲率和压缩率确定的。在阴极开放式设计中，气体扩散层的扩散常数较小，这是由于只有不必用于对膜保湿的部分生成水允许被输入的空气流带走。在阴极封闭式设计中，气体扩散层的扩散常数较大，这是由于为了避免阴极反应气体被阻塞，水是不允许以液态形式积聚在气体扩散层的孔隙里的。

将燃料电池引进市场以得到广泛应用所面临的挑战仍是成本问题。电池所使用的催化剂——铂、聚合物电解质膜的生产以及用来制造气体扩散层和集电板的碳材料的成本都是高的。因此，用简单的方法提高燃料电池系统总的净输出功率，并且在整个系统生命周期内保持这一输出功率是很重要的。运行模式和非运行模式中输出功率的损失都必须加以避免。

燃料电池性能的衰退有各种原因，其中最关键的原因可以概括为阴极催化剂的堵塞，阳极催化剂堵塞以及燃料电池系统中水管理(water household)的变化。

氢氧化物会使阴极催化剂堵塞是众所周知的主要问题。氢氧化物对铂原子的吸附使阴极的催化能力变弱。美国专利US 6,635,369阐述了一种降低电压水平以消除这种性能衰退的方法。

燃料中如果含有即使是很少量的一氧化碳或其他“有毒”的液体或气体都会使阳极催化剂中毒。当用空气做氧化剂时，“有毒”物质会存在于空气中；“有毒”物质也会从用来固定石墨的合成材料中散发出来，其被用来制造离阳极催化剂很近的气体扩散层或集电板。美国专利US 3,395,045阐述了一种消除阴极催化剂中毒的简单方法，这种方法不仅要降低电压水平，还要使燃料电池短路，即由一条短路的电路连接氢电极和氧电极。与此同时切断(通入的)氢气流会增强这种短路的效果。这种方法的风险是：燃料电池系统或至少电堆中的部分电池在有水存在的情况下可能会转化为电解电池。当燃料不足和短路未能完全均匀分布于(这只有在理论上才能做到)整个燃料电池系统中时，这种情况会发生。电解的后果是氧气会在阳极产生，催化剂因此被破坏。

水管理问题作为性能衰退的原因，可以在聚合物电解质膜(质子交换膜)的结构中得到解释。只有当质子交换膜被水充分润湿时，氢质子的传导才能处于最佳状态。如果水分减少，膜的内阻将会显著增加。水管理的另一方面是液态水的产生。液态水像一层膜那样覆盖在膜的表面和气体扩散层的孔中，从而阻止了氧气接触催化剂。欧洲专利EP 0968541再次阐述了一种以脉冲方式改变阳极电势而不改变燃料电池总体电压的方法。尽管这项发明的主要目的是通过氧化吸附在催化剂上的一氧化碳以净化阳极催化剂，尤其适用于使用重整酒精作为燃料的情况；电压脉冲的另一个积极的、众所周知的作用是温度的升高及液态反应水的蒸发。这种电压脉冲或是短路的副效应，革新了燃料电池的水管理，美国专利US 6,620,538也有相关的阐述。

所有上述的方法都使用了达到短路的程度的电压脉冲以克服所述的三个主要问题所导致的性能衰退。为了实现这种短路，各个专利使用了各种简单的装置：美国专利US 3,395,045使用了一个开关；欧洲专利EP0968541使用了一个晶体管；美国专利US 6,620,538(该专利再次要求权利，根据测量到的电阻值，对一个燃料电池的阴极和阳极进行短路)披露了由一个场效应晶体管和一个作为被动分流电路的二极管组成的分流控制电路，当所述场效应晶体管发生故障时，所述二极管开始运行。

所有这些短路装置都有以下缺点：如果感性负载、容性负载或电池在短路模式中，例如燃料电池的阳极和阴极之间短路时，所述负载中会产生一个反向电流。所述反向电流可能会破坏短路开关。如果负载是个电机的话，就会造成急速的制动。此外，如果使用晶体管，将会导致系统内部功耗的显著增加，最终导致总输出功率的损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中反向电流可能会破坏短路开关、导致总输出功率的损失等的缺陷，提供一种燃料电池系统与操作方法，其在短路期间切断负载，而没有产生反向电流的危险，这使得燃料电池系统对于参数变化能够作出安全迅速的反应，即使经过很长一段时间闲置后也能为负载提供稳定的功率输出，因而通过最小化系统内部电力需求以达到降低成本和减轻重量的目的。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一燃料电池系统，其包括：至少一个燃料电池，其包括一个阳极端口和一个阴极端口；一个短路支路，其包括一个与所述端口连接的开关；连接一负载的支路，其包括控制元件，其特征在于，该控制元件包含两个MOS管，每个MOS管包含一个主电流通道和一个与主电流通道并联的内部二极管，所述的两个MOS管串联，其两个内部二极管反向连接。

其中，构成控制元件的两个MOS管以及短路支路中的开关是由一微处理器控制的。

其中，短路支路中的开关也是一个MOS管。

其中，构成控制元件的两个MOS管设置于支路中燃料电池的阴极端口和负载之间。

本发明的另一技术方案为提供一种燃料电池系统的操作方法，该方法的特点是：燃料电池系统被周期性地脉冲短路；对于每个短路脉冲，其步骤是：首先同时切断通过所述控制元件中的两个MOS管的电流，然后接通短路支路的开关。

其中，在短路脉冲期间也供应燃料。

其中，短路脉冲的脉宽和频率，依据至少一个下列运行参数的变化而变化：温度，电压，输出功率。

其中，该燃料电池系统开始运行时，首先运行于启动活化状态，系统活化完毕后进入运行状态；短路脉冲间的间隔时间和/或脉冲宽度会发生变化，从而，在启动活化状态中，短路脉冲间的间隔时间较短，脉冲宽度较大；在运行状态中，短路脉冲间的间隔时间较长，脉冲宽度较小。

其中，如气体扩散层的有效扩散系数较低，短路脉冲间的间隔时间较短，脉冲宽度较大；如有效扩散系数较高，短路脉冲间的间隔时间较长，脉冲宽度较小。

本发明的积极进步效果在于：

根据燃料电池系统的不同参数，可实现燃料电池系统的高速运行和灵敏控制；将MOS管设置在非接地支路中，实现了无干扰的稳定接地；通过在启动活化阶段或持续运行阶段对参数变化的灵敏反应，并根据系统气体扩散层的扩散常数，实现了燃料电池系统的再生。本发明的燃料电池系统与传统的系统相比具有明显的优势，通过设计一个简单安全的电路以实现燃料电池的短路，提高了系统性能，降低了功率损失和系统成本，从而使燃料电池离市场更近了一步。

附图说明

图1是本发明燃料电池系统一实施例的示意图。

相关标号列表：

1燃料电池

2阳极端口

3阴极端口

4负载支路

5负载

6短路支路

7开关

8控制元件

9MOS管

10MOS管

11主电流通道

12内部二极管

13微处理器

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

燃料电池1，或燃料电池电堆，包括一个阳极端口2和一个阴极端口3。阳极端口2表示燃料电池的阳极侧，燃料(优选氢气)应该供应到阳极。阳极端口2接地。在阳极，氢气在催化剂作用下发生电化学反应产生电子，通过负载支路4传送到阴极端口3，阴极端口3表示燃料电池的阴极，通过这个过程从燃料电池释放电力并产生电流。电力被提供给负载5，负载5可以是各种不同的负载，比如电池、电机、容性负载或感性负载，不过如果是感性负载作为系统负载，应再额外集成一个续流二极管。

在阳极端口2和阴极端口3之间还有另外一个短路支路6将负载支路4分流。在短路支路6中，设置有一个电驱动开关7，这个电驱动开关7闭合时，将会连接阳极端口2和阴极端口3从而将燃料电池1短路。该电驱动开关7优选是一种金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，在美国专利US 6,620,538有阐述。

在负载支路4中，特别是在阴极端口3和负载5之间，设置有开关或控制元件8。在非接地的阴极端口3设置控制元件8的原因是地电位应该尽可能低，而每一个额外的控制元件都可能使它升高。所述控制元件的主要作用是在燃料电池1短路时断开负载5从而保护负载。控制元件8由两个串联的MOS管9，10组成，其中一个MOS管9是正向偏压的，第二个MOS管10和它反向串联，即MOS管10是反过来连接的。MOS管9，10本身都包括一个晶体管，该晶体管9形成了主电流通道11，以及一个内部二极管12，典型地也显示于MOS管10中。MOS管9、10优选使用n沟道MOS管，因为n沟道MOS管成本低且内阻也低，可以降低燃料电池系统的功率损耗。MOS管的尺寸应按照燃料电池系统的输出电压确定，确切地说由输出0.6伏电压的燃料电池的数量决定。两个MOS管9、10，以及短路支路的开关7优选由一个微处理器13控制。

所述的燃料电池系统有不同的运行模式：负载模式——燃料电池1通过负载支路4向负载5供电；短路模式——通过接通短路支路6的开关7使阳极端口2和阴极端口3间短路。两个运行模式间的转换由开关7和控制元件8控制，控制元件中的两个MOS管9，10可在切断模式和接通模式下运行。

在负载模式时，开关7是断开的，因此系统不会短路。MOS管9、10处于接通模式下，开关被开启，一条通路被建立，从而电流可以流经MOS管的主电流通路11。正向偏压的MOS管9的内部二极管理论上也允许电流通过。反向串联的MOS管10的内部二极管12不允许电流通过，即它是反向偏压的。

从负载模式转换到短路模式需要在微处理器13的控制下完成以下步骤：第一步，断开两个MOS管9、10，即切断开关。使得主电流通道11中没有电流通过。在MOS管9中电流依然可以通过正向偏压的内部二极管12，只靠MOS管9无法使负载完全被切断。此时起作用的是MOS管10，其反向的内部二极管12，使负载完全被切断。

第二步，闭合开关7从而使阳极端口2和阴极端口3短路。此时，如果负载5是感性或容性负载或电池，这些负载存在产生反向电流的危险，该反向电流可损坏开关或将燃料电池变成电解电池而损坏它们。如果负载5是一个电动机，这种反向电流会导致快速的制动。MOS管9中的内部二极管12阻止了反向电流，从而阻止了负载放电。

模式转换所需的时间依赖于整个电路包括微处理器的响应时间，通常在10μs至10ms之间，优选在100μs至1ms之间。

使用晶体管和二极管串联来代替MOS管9、10的缺点是成本较高，需要为晶体管提供启动电压；由晶体管造成的电压降带来更高的功率损失。MOS管的电阻优选不超过10mΩ，并且不需要任何控制电流。

本发明的燃料电池系统提供了一种简便、安全、成本效益高的短路方式，有净化燃料电池的阳极催化剂和阴极催化剂，以及平衡燃料电池的水管理的积极效果。对于整个系统来说，经过一段较长时间的闲置后在启动活化状态时得以再生，在运行状态的潜在性能衰退得以最小化。

短路脉冲取决于以下因素：所选择的燃料电池设计，阴极开放式还是阴极封闭式的设计——不同的气体扩散层，不同的扩散常数；运行参数，例如温度，电压或输出功率；系统运行模式——运行或启动活化状态，在启动活化状态下，环境温度，尤其在低于0℃时，对脉冲有较大影响。

短路脉冲在脉宽和频率上会有变化。在燃料电池输出功率之前，必须将运行参数调整至它们的预定值。尤其是温度及与温度相伴随的膜的湿度应达到某一阈值。因此在燃料电池输出功率之前，最好运行一个启动活化程序。该启动活化程序可以主要依据温度，开路电压或最简单的时间来进行调整。启动活化状态优选的时间为30秒至5分钟，最好优选为1分钟。短路应在充分的燃料供应下运行，所以不会出现燃料不足的情况，从而排除了燃料电池堆中一些单电池被转变为电解电池的危险，另一方面，随着每个脉冲后的温度上升，略微增加反应空气。在启动活化状态中的脉冲间隔在1s至8s之间，优选2s，脉冲宽度在10ms和200ms之间，优选50ms。所述脉冲频率和宽度的优选值在启动活化状态中可以随着温度的升高而变化。尤其当环境温度接近或甚至低于0℃时，燃料电池的短路必须较为剧烈，即相对于较高的环境温度，脉冲间隔较短，脉冲宽度较长。

当燃料电池系统切换到运行状态时，短路的方法必须改变。这时相对于启动活化状态，应采用较为温和的短路脉冲，当向负载供电时，优选8s至15s，进一步优选10s脉冲间隔。脉冲宽度优选10ms至100ms之间，进一步优选50ms。作为短路脉冲变化的调节参数，涉及许多不同的系统参数，首先是电压或运行温度，因为两者在任何情况下都能被测量，后者(运行温度)是冷却系统调节的必要输入。最佳且最简单的短路程序运行时无需调节，根据预设的程序只与时间有关系。综上所述，在启动活化状态中的短路脉冲间的间隔时间比在运行状态中的短路脉冲间的间隔时间短，和/或在启动活化状态中的脉冲宽度比在运行状态中的脉冲宽度大。

此外，燃料电池短路的方式还取决于设计：如果选择的是阴极开放式设计，脉冲频率将较高，脉冲宽度将较大。如果空气流同时作为冷却介质和反应物，较大的空气流量将增加聚合物电解质膜变干的风险，其风险高于水淹(flooding)，其中水淹是液态水堵住气体扩散层孔隙形成的。燃料电池的频繁短路主要增加了反应水的量和提高了温度，因此增加了液体水的蒸发，从而进一步平衡了水管理。由液态水的蒸发引起的冷却效应是轻微的。对于阴极封闭式设计，系统的温度和冷却敏感度较低，尤其是水管理更加稳定，因此短路脉冲可以比较温和，适用较低的频率和较小的脉宽。如果选择的燃料不是纯氢，即有高的一氧化碳百分含量，情况可能发生变化，需要频繁地净化催化剂以及产生较为剧烈的短路。

本发明的燃料电池系统与传统的系统相比具有明显的优势。通过设计一个简单安全的电路以实现燃料电池的短路，提高了系统性能，降低了功率损失和系统成本，从而使燃料电池离市场更近了一步。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，其包括：至少一个燃料电池(1)，其包括一个阳极端口(2)和一个阴极端口(3)；一个短路支路(6)，其包括一个与所述端口连接的开关(7)；连接一负载(5)的负载支路(4)，其包括控制元件(8)，其特征在于，该控制元件(8)包含两个MOS管(9，10)，每个MOS管包含一个主电流通道(11)和一个与主电流通道(11)并联的内部二极管(12)，所述的两个MOS管(9，10)串联，其两个内部二极管(12，12)反向连接。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于：构成控制元件(8)的两个MOS管(9，10)以及短路支路中的开关(7)是由一微处理器(13)控制的。

3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于：短路支路(6)中的开关(7)也是一个MOS管。

4.如权利要求1-3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于：构成控制元件的两个MOS管(9，10)设置于支路中燃料电池(1)的阴极端口(3)和负载(5)之间。

5.一种操作权利要求1至4中任一项所述燃料电池系统的方法，其特征在于：燃料电池系统被周期性地脉冲式短路；对于每个短路脉冲，其步骤是：第一步，对于两个MOS管(9，10)，同时切断流过构成控制元件的MOS管的电流；第二步，开启短路支路(6)中的开关(7)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：在短路脉冲期间也供应燃料。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于：短路脉冲的脉宽和频率，依据至少一个下列运行参数的变化而变化：温度，电压，输出功率。

8.如权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于：该燃料电池系统开始运行时，首先运行于启动活化状态，系统活化完毕后进入运行状态；短路脉冲间的间隔时间和/或脉冲宽度会发生变化，从而，在启动活化状态中，短路脉冲间的间隔时间较短，脉冲宽度较大；在运行状态中，短路脉冲间的间隔时间较长，脉冲宽度较小。

9.如权利要求5-8中任一项所述的方法，其特征在于：如气体扩散层的有效扩散系数较低，短路脉冲间的间隔时间较短，脉冲宽度较大；如有效扩散系数较高，短路脉冲间的间隔时间较长，脉冲宽度较小。

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