CN104541398A - 燃料电池装置及操作方法 - Google Patents

燃料电池装置及操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104541398A
CN104541398A CN201280073515.3A CN201280073515A CN104541398A CN 104541398 A CN104541398 A CN 104541398A CN 201280073515 A CN201280073515 A CN 201280073515A CN 104541398 A CN104541398 A CN 104541398A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel
fuel cell
cell module
reaction reagent
container
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201280073515.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104541398B (zh
Inventor
韩明
陈毅豪
陈云中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Temasek Polytechnic
Original Assignee
Temasek Polytechnic
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Temasek Polytechnic filed Critical Temasek Polytechnic
Publication of CN104541398A publication Critical patent/CN104541398A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104541398B publication Critical patent/CN104541398B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

提供了燃料电池装置(10)和燃料电池的操作方法(50)。所述燃料电池装置(10)包括燃料电池组件(12)，所述燃料电池组件(12)具有第一出口(26)；和第一容器(34)，所述第一容器(34)联接至所述第一出口(26)并且形成第一死端。所述第一容器(34)被布置成当第一反应试剂被供应至所述燃料电池组件时(12)，接收和保留所述第一反应试剂的一部分和水，并且当切断所述第一反应试剂至所述燃料电池组件(12)的供应时，使所述第一容器(34)中的所述第一反应试剂经由所述第一出口(26)返回至所述燃料电池组件(12)。

Description

燃料电池装置及操作方法
技术领域
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
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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：
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；
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；
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；
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；
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；
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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1s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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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34中。这造成容器34中的压力显著增加。压力的增加促进容器34中的水蒸气的冷凝。
在步骤56中，切断燃料至燃料电池组件12的供应。
在步骤58中，当切断反应试剂至燃料电池组件12的供应时，使容器34中的燃料经由第一出口26返回至燃料电池组件12。更具体地，当第一阀32关闭时，由于在燃料电池组件12中消耗反应试剂，燃料电池组件12中的压力变得低于容器34中的压力。容器34内的反应试剂气体之后通过相同路径反向流动进入燃料电池组件12并且使通道20端部附近积累的蒸汽分散进入通道20的顶部部分。应强调容器34中的反应试剂气体不简单地通过入口24返回至燃料电池而是通过相同路径返回，因此能够使蒸汽沿着燃料电池组件12的通道20分散。当容器34中的燃料返回至燃料电池组件12时，燃料电池组件12中积累的水因此分散。更具体地，阳极通道20的端部附近的水蒸汽分散至燃料电池装置10的上方部分。有利地，这有助于维持膜14中的均匀水分散并且避免燃料电池装置10的第一和第二通道20和22和气体扩散层中的溢流。
由于燃料从容器34反向流动至其中消耗燃料的燃料电池组件12，容器34中的压力下降。由于燃料电池组件12被连续供应来自外部源或容器34的燃料，尽管来自外部源的燃料供应中断，燃料电池装置10中的电化学反应仍然继续，因此对燃料电池装置10的功率输出产生很少破坏或不产生破坏。
在步骤52中，燃料被再次供应至燃料电池组件12，并且燃料电池装置10进入新的压力转换周期。
当燃料电池操作时压力转换周期连续，当燃料电池不再操作时压力转换周期终止。
反应试剂(在该实施方案中为燃料)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。在时间调节的实施方案中，可以在约3s和约20s之间的期间之后通过关闭第一阀32从而切断反应试剂至燃料电池组件12的供应。在相同或不同的实施方案中，可以在切断反应试剂的供应达约1s和约7s之间的期间之后再次打开第一阀32。第一阀32可以自动地再次打开从而允许反应试剂气体再次流入第一通道20和容器34。在压力调节的实施方案中，当由于燃料电池装置10中反应试剂气体的消耗使得容器34中的压力降低至约1.5巴的预定水平时反应试剂被再次供应至燃料电池组件12。
当容器34中已经积累大量液体水38时，液体水38可以经由水出口36从容器34中排出。
尽管参考在阳极死端模式下操作的燃料电池描述了操作燃料电池的方法50，本领域技术人员应理解本发明的方法不仅限于阳极死端模式。在替代性实施方案中，方法50可以应用于在阴极死端模式或阳极死/阴极死模式下操作的燃料电池。在阴极死端模式的实施方案中，所涉及的反应试剂为氧化剂，例如纯氧气。下文参考图5描述所述实施方案的一个实施例。在阳极死/阴极死模式的实施方案中，存在两种所涉及的反应试剂：燃料和氧化剂。第二反应试剂的一部分被迫通过燃料电池组件并且经由第二出口进入第二容器。燃料电池组件中的水通过第二反应试剂的对流流动经由第二出口进入第二容器。第二反应试剂的所述部分和水保持在第二容器中，并且当切断第二反应试剂至燃料电池组件的供应时，使第二容器中的第二反应试剂经由第二出口返回至燃料电池组件。下文参考图7描述所述实施方案的一个实施例。
现在参考图3，显示了显示图1的燃料电池装置10中随时间变化的氢气压力的曲线。正如通过图3可见，燃料电池装置10中的氢气压力的高值为约2巴并且当第一阀32打开时维持于该压力(P高)。当第一阀32关闭时，燃料电池装置10中的氢气压力开始下降，因为从容器34返回至燃料电池组件12的氢气被消耗。当氢气压力下降至低于约1.5巴(P低)时，第一阀32再次打开，并且燃料电池装置10进入新的压力转换周期。正如通过图3也可见，容器34中的压力保持在约1.5巴和约2巴之间从而促进压力反向转换。压力转换容器34中的压力不下降至大气压力。
现在参考图4，显示了显示图1的燃料电池装置10中随时间变化的功率输出的曲线。正如通过图4可见，燃料电池装置10的功率输出在相对长的操作期间保持稳定。
上文参考图1-4描述了通过压力转换和过量水排出从而管理阳极侧的水的固体聚合物燃料电池系统10。燃料电池装置10中的压力转换容器34提供多个功能；容器34充当压力调节器、缓冲槽和液体气体分离器。在所描述的实施方案中，在压力转换的过程中燃料电池端部附近的水被推至阳极通道的前方部分。有利地，这有助于在电池内平均地分散水并且避免局部溢流。因此，存在很少或不存在由于溢流造成的随时间变化的电压衰减。此外，由于系统完全无需清洗，亦即系统连续运转而无清洗过程，相比于需要周期性气体清洗的在死端模式下操作的常规燃料电池系统实现更好的燃料效率。
现在参考图5，显示了根据本发明的另一个实施方案的燃料电池装置100。燃料电池装置100包括燃料电池组件102，所述燃料电池组件102具有夹在阴极106和阳极108之间的质子交换膜(PEM)104。一系列第一通道110和一系列第二通道112与燃料电池组件102的膜电极组件流体连通。燃料电池组件102的一系列第一通道110包括燃料入口114和燃料出口116，燃料电池组件102的一系列第二通道112包括氧化剂入口118和氧化剂出口120。第一阀122连接至氧化剂入口118，并且容器124连接至氧化剂出口120。容器124与燃料电池组件102流体连通并且形成燃料电池装置100中的阴极死端。容器124设置有水出口126从而从容器124中排出水128。第二阀130连接至水出口126。
图5中所示的实施方案基本上与图1相似，不同之处在于其显示了在阳极打开/阴极死模式的条件下操作的燃料电池系统。在该实施方案中，连续的燃料流通过燃料入口114供应至燃料电池装置100的阳极侧并且燃料出口116不堵住。第一阀122被布置成控制氧化剂至燃料电池组件102的供应。氧化剂至燃料电池组件102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。在该实施方案中氧化剂为纯氧气。在一个实施方案中，氧化剂在约2巴的压力下周期性地供应至燃料电池组件102。使用容器124从而堵住氧化剂出口120，因此形成在阴极死端模式下操作的燃料电池组件。在该实施方案中，由于没有排出未反应的氧化剂，氧化剂利用效率得以改进。燃料电池装置100以与图1所示相似的方式操作。因此，不需要图5的元件的详细描述用于完整理解本发明。
现在参考图6，显示了显示图5的燃料电池装置100中随时间变化的氧气压力的曲线。正如通过图6可见，燃料电池装置100中的氧气压力的高值为约2巴并且当第一阀122打开时维持于该压力(P高)。当第一阀122关闭时，燃料电池装置100中的氧气压力开始下降，因为从容器124返回至燃料电池组件102的氧气被消耗。当氧气压力下降至低于约1.2巴(P低)时，第一阀122再次打开，并且燃料电池装置100进入新的压力转换周期。正如通过图6也可见，容器124中的压力保持在约1.2巴和约2巴之间从而促进压力反向转换。压力转换容器124中的压力不下降至大气压力。
现在参考图7，显示了根据本发明的又一个实施方案的燃料电池装置150。燃料电池装置150包括燃料电池组件152，所述燃料电池组件152具有夹在阴极156和阳极158之间的质子交换膜(PEM)154。一系列第一通道160和一系列第二通道162与燃料电池组件152的膜电极组件流体连通。燃料电池组件152的一系列第一通道160包括燃料入口164和燃料出口166，燃料电池组件152的一系列第二通道162包括氧化剂入口168和氧化剂出口170。第一阀172连接至燃料入口164，并且第一容器174连接至燃料出口166。第一容器174与燃料电池组件152流体连通并且形成燃料电池装置150中的阳极死端。容器174设置有第一水出口176从而从第一容器174中排出水178。第二阀180连接至第一水出口176。第三阀182连接至氧化剂入口168，并且第二容器184连接至氧化剂出口170。第二容器184与燃料电池组件152流体连通并且形成燃料电池装置150中的阴极死端。第二容器184设置有第二水出口186从而从第二容器184中排出水188。第四阀190连接至水出口186。
图7中所示的实施方案基本上与图1和5相似，不同之处在于其显示了在阳极死/阴极死模式的条件下操作的燃料电池系统。在该实施方案中，通过第一和第二压力转换容器174和184分别堵住燃料出口166和氧化剂170出口两者，从而形成阳极死端和阴极死端。第一和第二压力转换容器174和184两者被布置成当反应试剂被供应至燃料电池组件152时，接收和保留各个反应试剂(即燃料和氧化剂)的一部分和水，并且当切断反应试剂至燃料电池组件152的供应时，使第一和第二压力转换容器174和184中的反应试剂分别经由燃料出口166和氧化剂出口170返回至燃料电池组件152。在该实施方案中，由于没有排出未反应的燃料或氧化剂，燃料利用效率和氧化剂利用效率均得以改进。燃料电池装置150以与图1和5所示相似的方式操作。因此，不需要图7的元件的详细描述用于完整理解本发明。
正如通过上述讨论显而易见的，本发明提供在死端模式下操作而无需清洗的燃料电池系统。有利地，阳极和/或阴极侧的死端附近的流动通道中积累的水通过振荡压力沿着流动通道良好地分散。因此避免了溢流和电压衰减的问题。此外，由于过量的水通过分离器排出而无需清洗过程，由于没有排出未反应的燃料和/或氧化剂，燃料和/或氧化剂的利用效率也得以改进。本发明特别适用于便携式燃料电池应用，例如水下或航空应用，在所述应用中燃料效率和氧化剂效率是决定性的。
虽然已经阐述和描述了本发明的优选实施方案，清楚的是本发明不仅限于所描述的实施方案。各种修改、变化、改变、替代和等价物对于本领域技术人员将是显然的，而不偏离权利要求中所述的本发明的范围。
此外，除非文中另有清楚要求，贯穿本说明书和权利要求书，术语“包含”、“包括”等被解释为开放式而非封闭式含义，也就是说，含义为“包括但不限于”。

Claims (29)

1.一种燃料电池装置，包括：
燃料电池组件，所述燃料电池组件具有第一出口；和
第一容器，所述第一容器联接至所述第一出口并且形成第一死端，其中所述第一容器被布置成当第一反应试剂被供应至所述燃料电池组件时，接收和保留所述第一反应试剂的一部分和水，并且当切断所述第一反应试剂至所述燃料电池组件的供应时，使所述第一容器中的所述第一反应试剂经由所述第一出口返回至所述燃料电池组件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述第一容器具有至少约5巴的压力阻力。
3.根据权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括第一阀，所述第一阀联接至所述燃料电池组件的第一入口从而控制所述第一反应试剂至所述燃料电池组件的供应。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其中所述第一阀被布置成以周期性时间间隔连续地打开和关闭。
5.根据权利要求4所述的燃料电池装置，其中所述第一阀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。
6.根据权利要求4所述的燃料电池装置，其中所述第一阀被布置成在再次打开之前保持关闭达约1s和约7s之间的期间。
7.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其中所述第一阀被布置成根据所述燃料电池组件中的压力连续地打开和关闭。
8.根据权利要求7所述的燃料电池装置，其中所述第一阀被布置成当所述燃料电池组件中的压力降低至预定水平时自动地再次打开。
9.根据权利要求8所述的燃料电池装置，其中压力的所述预定水平为约1.5巴。
10.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其中所述第一阀为电致动阀。
11.根据权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括第二阀，所述第二阀被布置成控制液体水从所述第一容器中的排出。
12.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述第一反应试剂为燃料。
13.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述第一反应试剂为氧化剂。
14.根据权利要求1所述的燃料电池装置，进一步包括第二阀，所述第二阀联接至所述燃料电池组件的第二出口并且形成第二死端，其中所述第二阀被布置成当第二反应试剂被供应至所述燃料电池组件时，接收和保留所述第二反应试剂的一部分和水，并且当切断所述第二反应试剂至所述燃料电池组件的供应时，使所述第二容器中的所述第二反应试剂经由所述第二出口返回至所述燃料电池组件。
15.一种燃料电池的操作方法，包括：
将燃料和氧化剂供应至燃料电池组件，其中第一反应试剂的一部分被迫通过所述燃料电池组件并且经由第一出口进入第一容器，并且其中所述燃料电池组件中的水通过所述第一反应试剂的对流流动经由所述第一出口进入所述第一容器；
将所述第一反应试剂的所述部分和水保持在所述第一容器中；和
当切断所述第一反应试剂至所述燃料电池组件的供应时，使所述第一容器中的所述第一反应试剂经由所述第一出口返回至所述燃料电池组件。
16.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，其中当所述第一容器中的所述第一反应试剂返回至所述燃料电池组件时，所述燃料电池组件中积累的水被分散。
17.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，其中所述第一反应试剂至所述燃料电池组件的供应是时间调节的。
18.根据权利要求17所述的燃料电池的操作方法，进一步包括在约3s和约20s之间的期间之后切断所述第一反应试剂的供应。
19.根据权利要求18所述的燃料电池的操作方法，其中切断所述第一反应试剂的供应达约1s和约7s之间的期间。
20.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，其中所述第一反应试剂至所述燃料电池组件的供应是压力调节的。
21.根据权利要求20所述的燃料电池的操作方法，进一步包括当所述第一容器中的压力降低至预定水平时将所述第一反应试剂再次供应至所述燃料电池组件。
22.根据权利要求21所述的燃料电池的操作方法，其中当所述第一容器中的压力降低至约1.5巴时将所述第一反应试剂再次供应至所述燃料电池组件。
23.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，进一步包括从所述第一容器中排出液体水。
24.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，其中所述第一反应试剂为纯氢气和与惰性气体混合的氢气中的一者。
25.根据权利要求24所述的燃料电池的操作方法，其中所述第一反应试剂以约2巴的压力供应至所述燃料电池组件。
26.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，其中所述第一反应试剂为纯氧气。
27.根据权利要求26所述的燃料电池的操作方法，其中所述第一反应试剂以约2巴的压力供应至所述燃料电池组件。
28.根据权利要求15所述的燃料电池的操作方法，其中第二反应试剂的一部分被迫通过所述燃料电池组件并且经由第二出口进入第二容器，并且其中所述燃料电池组件中的水通过所述第二反应试剂的对流流动经由所述第二出口进入所述第二容器。
29.根据权利要求28所述的燃料电池的操作方法，进一步包括：
将所述第二反应试剂的所述部分和水保持在所述第二容器中；和
当切断所述第二反应试剂至所述燃料电池组件的供应时，使所述第二容器中的所述第二反应试剂经由所述第二出口返回至所述燃料电池组件。
CN201280073515.3A 2012-03-30 2012-03-30 燃料电池装置及操作方法 Active CN104541398B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/SG2012/000111 WO2013147703A1 (en) 2012-03-30 2012-03-30 Fuel cell apparatus and method of operation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104541398A true CN104541398A (zh) 2015-04-22
CN104541398B CN104541398B (zh) 2018-01-05

Family

ID=49260795

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280073515.3A Active CN104541398B (zh) 2012-03-30 2012-03-30 燃料电池装置及操作方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9780395B2 (zh)
CN (1) CN104541398B (zh)
SG (1) SG11201404842YA (zh)
WO (1) WO2013147703A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9991531B2 (en) * 2014-11-14 2018-06-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5366818A (en) 1991-01-15 1994-11-22 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell systems incorporating water removal at the anode
US6329094B1 (en) 1997-05-14 2001-12-11 Sanyo Electric Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell showing stable and outstanding electric-power generating characteristics
DE10080450T1 (de) * 1999-02-10 2001-05-17 Toshiba Kawasaki Kk Kohlenmonoxidumwandlungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzellen-Energiegewinnungssystem
JP4843147B2 (ja) 2000-05-30 2011-12-21 本田技研工業株式会社 燃料電池暖機システム
US7597982B2 (en) 2002-09-30 2009-10-06 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell system with a gas supply pump that applies negative pressure to the anode and cathode
US20050142400A1 (en) 2003-12-31 2005-06-30 Nuvera Fuel Cells Safe purging of water from fuel cell stacks
JP4484243B2 (ja) * 2004-09-27 2010-06-16 株式会社豊田自動織機 水素貯蔵タンクの使用方法及び燃料電池システム
DE102004049623B4 (de) 2004-10-06 2015-03-26 Reinz-Dichtungs-Gmbh Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung der Endplatte
AT503138B1 (de) 2006-05-05 2007-08-15 Fronius Int Gmbh Verfahren zum regeln des drucks in einer anode einer brennstoffzelle
WO2008108737A1 (en) 2007-03-07 2008-09-12 Gashub Technology Pte Ltd. Self humidifying fuel cell system and method for humidifying a fuel cell
JP2008311047A (ja) 2007-06-14 2008-12-25 Toyota Motor Corp 燃料電池
DE102007028743A1 (de) 2007-06-21 2008-04-17 Daimler Ag Brennstoffzellenanordnung
JP2009026526A (ja) 2007-07-18 2009-02-05 Toyota Motor Corp 燃料電池
KR100907396B1 (ko) * 2007-09-07 2009-07-10 삼성에스디아이 주식회사 연료 카트리지, 이를 구비하는 직접 메탄올형 연료전지 및연료 카트리지를 이용하는 직접 메탄올형 연료전지의 퍼징방법
KR100986525B1 (ko) 2008-02-25 2010-10-07 현대자동차주식회사 증발냉각식의 연료전지 시스템과 그 냉각방법
US7976992B2 (en) * 2008-05-24 2011-07-12 Utc Power Corp. Non-circulating coolant PEM fuel cell power plant with antifreeze back pressure air venting system
KR101131166B1 (ko) 2008-09-04 2012-03-28 삼성전기주식회사 연료전지 시스템
FR2952232B1 (fr) * 2009-10-30 2011-12-16 Michelin Soc Tech Pile a combustible et procedure d'arret d'une pile a combustible.
US8828612B2 (en) 2010-09-17 2014-09-09 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
SG11201404842YA (en) 2014-09-26
US20150056532A1 (en) 2015-02-26
WO2013147703A1 (en) 2013-10-03
CN104541398B (zh) 2018-01-05
US9780395B2 (en) 2017-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5793782B2 (ja) 燃料電池モジュールおよび燃料電池を遮断するプロセス
US8221923B2 (en) Stop method for fuel cell system and fuel cell system
US7820333B2 (en) Fuel cell operating method with improved hydrogen and oxygen utilization
CN101887981B (zh) 用于燃料电池的氢气密闭循环系统
CN103348522B (zh) 用于燃料电池的再循环回路
US8062801B2 (en) Avoiding coolant slump into reactant fields during PEM fuel cell shutdown
CN102097633B (zh) 燃料电池系统的喷射器控制
CN1815786A (zh) 可在低温环境下启动与运行的燃料电池发电系统
WO2005110045A2 (en) Single pump fuel cell system
JP2007128868A (ja) 閉鎖式インジェクタの抜き取り機能を用いたアノード流れシフト方法
EP1872429B1 (en) A fuel cell and a method for operating said fuel cell
EP2216845B1 (en) Fuel cell system
CN112421076B (zh) 一种用于燃料电池电堆吹扫的双向可控的系统
JP2017168369A (ja) 燃料電池システムの氷点下始動方法
EP1830428B1 (en) A recovery unit for a fuel cell and method of controlling same
US20080038596A1 (en) Method and Device for Operational Control of Fuel Cell Modules
CN104541398A (zh) 燃料电池装置及操作方法
Chapman et al. Development of Biomimetic™ flow field plates for PEM fuel cells
US20080081228A1 (en) Anode purge gas dilution
JP2011034837A (ja) 燃料電池システムの氷点下起動方法
JP2007018837A (ja) 燃料電池の水素ガス希釈装置
JP2005317436A (ja) 燃料電池システムおよび機器
JP5171047B2 (ja) 燃料電池装置
JP2007087739A (ja) 燃料電池システム
Lee et al. Performance characteristics of a polymer electrolyte fuel cell with the anodic supply mode

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant