CN101689656A - 吹扫燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吹扫燃料电池的方法，利用所述方法能够通过打开和关闭吹扫阀将燃料电池堆栈中的水和气体一起排出所述燃料电池堆栈，所述方法包括：使用所述吹扫阀实施几次短周期吹扫；以及使用所述吹扫阀实施一次长周期吹扫，其中，重复实施所述短周期吹扫和所述长周期吹扫。所述吹扫燃料电池的方法的优点在于，使用吹扫阀实施几次短周期吹扫，然后实施一次长周期吹扫，并且重复实施几次这些短周期吹扫和长周期吹扫，从而可以解决仅实施短周期吹扫和仅实施长周期吹扫时出现的问题，其结果是可以提高燃料电池的效率和性能，并且可以稳定地操作燃料电池。

Description

吹扫燃料电池的方法
技术领域
本发明涉及一种吹扫燃料电池的方法，更具体地，涉及一种可以提高燃料电池的效率和性能的吹扫燃料电池的方法。
背景技术
一般地，假设电池是一种能量储存装置，则燃料电池可称为用于将化学能量转换为电能的装置。
也就是说，燃料电池通过将氢和氧结合为水的过程产生电。
另外，与发动机和涡轮不同，燃料电池不会产生氧化氮或硫磺，因为其并不燃烧燃料。
现在，燃料电池以各种方式用作替代能源。在下文中，为了解释的方便，在各种类型的燃料电池中，将简要地描述聚合电解质燃料电池。
聚合电解质燃料电池用作非污染性汽车、家用发电系统、移动通信设备、军事装备、医疗器械以及类似装置的能源，这是由于它具有高输出密度和高能量转化效率，能够在80℃或更低的温度下工作，并且能够实现小型化以及密封封装。
在这种聚合电解质燃料电池中，电能输出依赖于作为氢离子的质子通过称为NafionTM的聚合膜的程度。聚合膜必须适当地与水结合，从而允许氢离子通过。
通过使用附加的增湿器使得被引入聚合电解质燃料电池正负极的反应气体变得潮湿从而使得聚合电解质燃料电池的相对湿度在燃料电池堆栈的操作温度上达到100％，来实现聚合膜的水合作用。
在聚合电解质燃料电池的工作期间，在负极上产生作为反应产物的水，并且在聚合电解质燃料电池中可能出现多余数量的水。
由于负极上产生的多余数量的水可能出现通过聚合膜的氢离子的反向扩散，因此在聚合电解质燃料电池的运行中，使用聚合膜作为边界来控制负极和正极上的水量是重要的。
也就是，当包括正负极的电极没有被充分湿润时，对聚合膜进行脱水，从而提高聚合膜的电阻值。但是，由于聚合膜的电阻值的增加而阻止了质子的运动，所以会存在这样的问题，即聚合电解质燃料电池的电效率会降低。
另外，由于多余数量的水而阻止了气体到电极的运动以及质子的扩散，所以会存在这样的问题，即聚合电解燃料电池的稳定性和化学能量转化为电能的效率会降低。
一般地，在聚合电解质燃料电池中，多余量的水的问题(以下称为“泛滥现象”)比脱水的问题更加重要。
特别地，在高电流区域中的工作环境中，在负极上产生了额外的反应产物，另外，当水超量时，由于水滴的作用，阻止了将气体供应到催化层以及将质子扩散到聚合膜，从而损害了整个燃料电池堆栈的性能。
另外，由于水不均匀地分布在燃料电池堆栈中的单元电池中，所以可能会损害一些单元电池的性能，从而使得正常的工作变得困难。
同样，由于聚合电解质电池中存在的泛滥现象使得聚合电解质燃料电池的反应效率被降低以及它的稳定工作变得困难，因此绝对需要将多余数量的水释放到燃料电池堆栈的外部。
将水从燃料电池释放出去的常规方法可能包括结构方法和吹扫方法。
结构方法是一种这样的方法，即通过设计一种容易释放水的弯曲形状的分离板的流动通道容易地根据压力下降和流速将水从燃料电池中释放出去。
吹扫方法是一种这样的方法，即使用提供在燃料电池堆栈的后端上的吹扫阀加速水和气混合形式中的水的释放。
这种吹扫方法包括短周期吹扫方法和长周期吹扫方法。
图1示出了根据常规的短周期吹扫方法的吹扫信号的示意图。这里，吹扫条件是1rev/5-60sec的吹扫周期以及0.5-2秒钟的吹扫持续时间。
同样地，在短周期吹扫方法中，吹扫阀频繁地打开很短(0.5-2sec)的时间。短周期吹扫方法的优势在于，一点一点地释放水，从而使得燃料电池能够产生正常的输出，但是它的问题在于，短周期之内不能完全释放水，从而水保留在燃料电池中，从而由于所保留的水而损害燃料电池的性能。
图2示出了根据常规的长周期吹扫方法的吹扫信号的示意图。这里，吹扫条件是吹扫周期为1rev/10min的吹扫周期以及3秒钟的吹扫持续时间。
同样地，在长周期吹扫方法中，吹扫阀打开相对较长的周期(3秒钟或更长)，但是由于考虑到燃料的消耗大约每10分钟打开一次。长周期吹扫方法的问题在于，由于吹扫阀打开较长的周期，所以增加了燃料的消耗。
发明内容
因此，本发明考虑到了现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种吹扫燃料电池的方法，该方法能够通过适当地结合短长周期吹扫方法和长周期吹扫方法来提高燃料电池的效率和性能。
为了实现上述目的，本发明提供一种吹扫燃料电池的方法，利用所述方法能够通过打开和关闭吹扫阀将燃料电池堆栈中的水和气体一起排出所述燃料电池堆栈，所述方法包括：使用所述吹扫阀实施几次短周期吹扫；以及使用所述吹扫阀实施一次长周期吹扫，其中，重复实施所述短周期吹扫和所述长周期吹扫。
这里，在所述长周期吹扫中，每2分钟到20分钟打开一次所述吹扫阀。
在这种情况下，所述吹扫阀打开1秒到10秒。
可替换地，在所述长周期吹扫中，每10分钟打开一次所述吹扫阀，并且所述吹扫阀打开3秒钟。
另外，在所述短周期吹扫中，每1秒到60秒打开一次所述吹扫阀。
在这种情况下，所述吹扫阀打开0.5秒到3秒。
可选择地，在所述短周期吹扫中，每10秒到15秒打开一次所述吹扫阀，并且所述吹扫阀打开1秒到2秒。
根据本发明，使用吹扫阀来实施几次短周期吹扫，然后实施一次长周期吹扫，重复实施这些短周期吹扫和长周期吹扫，从而当仅实施短周期吹扫和仅实施长周期吹扫所存在的问题可以得以解决，结果是，燃料电池的效率和性能得以提高，并且燃料电池可以稳定地工作。
附图说明
图1示出了根据常规的短周期吹扫方法的吹扫信号的示意图；
图2示出了根据常规的长周期吹扫方法的吹扫信号的示意图；
图3示出了根据本发明的燃料电池的吹扫信号的示意图；
图4到图9示出了根据本发明的用于推导出短周期吹扫中的最佳值的实验数据的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例。
图3为根据本发明的燃料电池的吹扫信号的示意图。
如图3中所示，燃料电池的吹扫通过打开和关闭吹扫阀(图中未示出)来实施。吹扫阀打开几次以用于短周期吹扫，然后打开一次以用于长周期吹扫。重复实施这些短周期吹扫和长周期吹扫。
在这个实施例中，在长周期吹扫中，可以每2至20分钟打开一次吹扫阀，而吹扫阀的吹扫持续时间可以为1至10秒钟。
优选地，可以每10分钟打开吹扫阀一次，并且吹扫阀的吹扫持续时间可以为3秒钟。
下面将通过各种实验推导出在长周期吹扫的数值如上所述固定的情况下短周期吹扫中的最佳值。
首先，在实验中，长周期吹扫中的吹扫条件固定为：吹扫周期为1rev/10min，吹扫持续时间为3秒钟。
在短周期吹扫中为吹扫周期为1rev/10sec、1rev/20sec和1rev/60sec以及吹扫持续时间为1秒和0.5秒的吹扫条件下进行六次实验。
另外，在将电流从0A以10A的间隔增加之后电流保持在40A处30分钟的状态下进行实验。
图4到图9示出了根据本发明的用于在短周期吹扫中推导最佳值的实验数据的示意图。
图4示出了当吹扫阀打开0.5秒并且吹扫周期为1rev/10sec时获得的结果，图5示出了当吹扫阀打开1秒并且吹扫周期为1rev/10sec时获得和结果。
48从图4和图5中所示的实验结果中可以看出，当吹扫周期为1rev/10sec时吹扫持续周期必须至少为1秒或更长周期。
另外，图6表示当吹扫阀打开0.5秒并且吹扫周期为1rev/20sec时的结果，而图7表示当吹扫阀打开1秒并且吹扫周期为1rev/20sec时的结果。
从图6和图7中所示的实验结果中可以看出，当吹扫持续时间为0.5秒时压降逐步增加，而当吹扫持续周期为1秒时，压降的宽度保持恒定。
另外，图8表示当吹扫阀打开0.5秒并且吹扫周期为1rev/60sec时的结果，图9表示当吹扫阀打开1秒并且吹扫周期为1rev/60sec时的结果。
从图8和图9中所示的实验结果中可以看出，当吹扫周期为1rev/60sec时无论吹扫持续时间多长都存在压降。
如上所述，从图4到图9中的实验结果中可以看出，当在长周期吹扫中吹扫周期固定为1rec/10min并且吹扫持续时间固定为[S1]3秒时以及当在短周期吹扫中吹扫周期固定为1rev/10-15sec并且吹扫持续时间固定为1-2秒时，燃料电池的效率和性能最稳定。

Claims (7)

1.一种吹扫燃料电池的方法，利用所述方法能够通过打开和关闭吹扫阀将燃料电池堆栈中的水和气体一起排出所述燃料电池堆栈，所述方法包括：
使用所述吹扫阀实施几次短周期吹扫；以及
使用所述吹扫阀实施一次长周期吹扫，
其中，重复实施所述短周期吹扫和所述长周期吹扫。
2.根据权利要求1所述的吹扫燃料电池的方法，其中，在所述长周期吹扫中，每2分钟到20分钟打开一次所述吹扫阀。
3.根据权利要求2所述的吹扫燃料电池的方法，其中，在所述长周期吹扫中，所述吹扫阀打开1秒到10秒。
4.根据权利要求1所述的吹扫燃料电池的方法，其中，在所述长周期吹扫中，每10分钟打开一次所述吹扫阀，并且所述吹扫阀打开3秒。
5.根据权利要求1所述的吹扫燃料电池的方法，其中，在所述短周期吹扫中，每1秒到60秒打开一次所述吹扫阀。
6.根据权利要求5所述的吹扫燃料电池的方法，其中，在所述短周期吹扫中，所述吹扫阀打开0.5秒到3秒。
7.根据权利要求1所述的吹扫燃料电池的方法，其中，在所述短周期吹扫中，每10秒到15秒打开一次所述吹扫阀，并且所述吹扫阀打开1秒到2秒。
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