CN110088958B

CN110088958B - 燃料电池系统以及相关控制方法

Info

Publication number: CN110088958B
Application number: CN201780078424.1A
Authority: CN
Inventors: G·帕加内利
Original assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2022-12-23
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: EP3560015A1; US20190312289A1; CN110088958A; FR3060860A1; WO2018115630A1; US11177488B2; EP3560015B1

Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，所述系统包括：形成聚合物离子交换膜的燃料电池的电化学电池堆以及供应燃料气体的回路，所述回路将燃料气体罐连接到燃料电池的阳极，所述系统的特征在于其包括：氢气排气阀(305)，其安装于电池堆的阳极出口；用于接收排放出的氢气的容器(310)；以及用于将排放出的氢气重新引导到燃料电池的阳极入口的装置。本发明进一步涉及相关的控制方法。

Description

燃料电池系统以及相关控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别是涉及供应氢气的燃料电池。

燃料电池能够通过电化学反应而不通过转换成机械能来直接产生电能。

燃料电池通常包括一系列单元元件的组合，每个单元元件基本上包括阳极和阴极，阳极和阴极由允许离子从阳极通向阴极的聚合物膜分开。这个组合也称为电池堆，并且通常包括用于供应气体的回路，从而使电池能够运行。供应有燃料(例如，氢气)的阳极是氧化半反应H₂(g)＝2H⁺(aq)+2e^-的位点。同时，供应有助燃剂(例如，纯氧气或空气中含有的氧气)的阴极是还原半反应O₂(g)+4H⁺(aq)+4e^-＝2H₂O(l)的位点。

已经发现，在燃料电池的运行阶段期间，水可能会积聚在阳极处，必须将水去除以确保电池的正常运行。因此，本领域技术人员已知通过产生过量化学计量的氢气来供应燃料电池，这使得不仅能够将水去除，而且可以去除氢气中包含的气态杂质或者从阴极转移的气态杂质。

在化学计量的操作中，向燃料电池供应的氢气量大约等于电池所消耗的量。在这种情况下，用于氢气供给的内部通道出口处的气体的速度将为零，从而气态或液态杂质(特别是通过反向扩散从阴极自然迁移到阳极的水)不受约束地积聚。相反地，过量化学计量的供应意味着向燃料电池供应的氢气多于发生电化学反应所需的氢气。众所周知，可以采用1.1与2之间的化学计量。

背景技术

已知现有技术中满足这种氢气过量化学计量的需要的各种解决方案。因此，在图1所示的第一种解决方案中，在氢气供应管101处存在加压(例如加压到10bar)的氢气。与压力传感器103相关联的压力调节电磁阀102使得能够控制燃料电池入口104处的氢气压力。将燃料电池阳极出口上的排气阀105周期性地打开，以产生过量化学计量的氢气。排放出的氢气在出口106处逸出到周围环境中。因为当打开排气阀时，非常大的氢气流从电池中逸出，所以该解决方案特别有效地去除阳极处的水。

然而，由于以下几个原因，向周围环境空气排放氢气相当不令人满意：

-排放出的氢气会损失，从而导致燃料电池的效率降低并且因此导致燃料电池的性能下降；

-此外，氢气的损失降低了装备有采用这种系统的燃料电池的车辆的自主性，这损害了车辆对燃料电池的数千瓦的利用。事实上，利用这种解决方案，过量化学计量的氢气的总量会损失，这种损失可能在从1.1到2范围内的化学计量的所消耗氢气的10％到100％之间；

-此外，在安全性方面，向周围环境空气进行大量氢气排放似乎不令人满意，并且众所周知，关于氢气逸出到大气中的规定将在未来变得更加严格。

如图2所示，现有技术中已知的另一种解决方案包括将氢气从阳极出口再循环到阳极入口，如箭头209所示。为此目的，例如，结合止回阀208使用文丘里喷射器207。水分离器210通常放置于再循环回路上以储存液态水。再循环使得能够达到约为2的氢气化学计量而没有任何氢气损失，因此，能够达到足够的气体速度从而防止水在燃料电池的内部通道中积聚。然而，该解决方案需要在水分离器的出口处安装排气阀205并且周期性地打开排气阀205，以去除阳极处的水残留和杂质(特别是氮气，其易于积聚在阳极处)。排放的频率主要取决于为去除阳极处的水残留而发生周期性的氢气的突然排出的需要，在实践中很难将氢气损失降至3％以下。因此，因为发现氢气的损失太大，所以就氢气的损失来说，这种解决方案并不令人满意。

本发明的目的是提供一种确保足够高的氢气化学计量的解决方案，而不会出现上述现有技术的缺点。

发明内容

因此，本发明涉及一种燃料电池系统，其包括形成具有离子交换聚合物膜的燃料电池的电化学电池堆以及将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极的燃料气体供应回路，所述系统的特征在于其包括：

-氢气排气阀，其安装于电池堆的阳极出口；

-排放出的氢气的接收容器；以及

-用于将排放出的氢气重新引导到燃料电池的阳极入口的装置。

因为排放的氢气不会释放到大气中，而是被重新引导到燃料电池入口，所以这种系统使得能够进行多次氢气排放而不会产生安全问题。为此目的，本发明还涉及一种燃料电池控制方法，其将在后面进行描述。

此外，为了提供更高效的系统，在一个实施方案中，用于重新引导排放出的氢气的装置包括文丘里型喷射器。

文丘里喷射器的优点在于它是选择性的，即其优先再循环氢气而不是具有较大密度的不纯气体。因此，来自电池的阳极出口的氮气不会重新引导到电池的阳极入口，而是保持储存在接收容器中。

文丘里喷射器的另一个优点是，由于其易于产生真空的工作原理，从而能够在接收容器中达到低于大气压的压力。由此产生的负压使得随后的氢气排放由于压力差所产生的气体速度而特别有效。因此，本发明能够有效地去除来自阳极通道的水而不产生氢气损失。

作为提醒，因为水的积聚导致电池的活性表面的淹没，该活性表面不再能够发挥其作用，因此阳极通道中残留水的存在导致燃料电池性能的逐渐恶化。

如上所述，由于文丘里喷射器是选择性的，因此例如氮气的不纯气体不会重新引导到燃料电池入口。因此，在本发明的具体实施方案中，设置用于抽空氮气的装置是有用的。

因此，在一个实施方案的示例中，根据本发明的燃料电池系统在氢气接收容器中进一步包括压力测量传感器以及当氢气接收容器中的压力高于大气压时用于氢气接收容器排放的装置。

例如，用于氢气接收容器排放的装置包括阀。仅在接收容器中的压力高于大气压时打开该阀，以防止在阀打开期间周围空气进入接收容器。该阀还用于排放氢气接收容器中存在的水，其也用作水分离器。

如上所述，本发明还涉及一种控制燃料电池系统的方法，其包括以下步骤：

-向燃料电池的阳极部分供应氢气的步骤，

-向接收容器排放燃料电池的阳极出口处的残留氢气的步骤，

-将从接收容器排放出的氢气重新引导到燃料电池的阳极入口的步骤。

将根据需要多次执行这些步骤。实际上，由于氢气不会损失(因为氢气被重新引导到系统中，不会遭受氢气损失)，因此可以执行多次排放循环。

与现有技术的解决方案之一(其中，氢气被直接排放到周围空气中)相反，这里向接收容器进行排放，该接收容器具有低于大气压的压力。因此，阳极回路的出口处与接收容器之间存在较大的压力差，这使得连续的排放(通常称为“压力波动(coups de bélier)”)更有效。

在本发明的一个具体实施方案中，排放残留氢气的步骤对应于打开安装在燃料电池的阳极出口上的阀的步骤。于是，排放的持续时间对应于阀打开时间，必须确定该阀打开时间以移动整个阳极体积。

在另一个实施方案中，本发明进一步包括接收容器向大气进行排放的步骤。有利地，出于上述原因，当接收容器中的压力高于大气压时执行该步骤。

附图说明

通过以下对优选但非限制性的实施方案的描述，本发明的其它目的和优点将变得清楚，实施方案由以下附图示出，在附图中：

已经描述的图1和图2示出了现有技术的系统；

图3示出了根据本发明的系统；以及

图4为示出根据本发明的系统的接收容器中的压力变化的曲线图。

具体实施方式

因此，图3示出了燃料电池系统，其中，在氢气供应管301处存在加压的氢气。与压力传感器303相关联的压力调节电磁阀302使得能够控制燃料电池入口304处的氢气压力。排气阀305放置在阳极出口处。在打开阀305时，排放出的氢气被引导至接收容器310。与止回阀308相关联的文丘里喷射器307以这样的方式安装：其能够吸入容纳在接收容器310中的氢气并将氢气重新引导到燃料电池的阳极室的入口。

接收容器310还用作水分离器。安装在接收容器310的出口处的接收容器排气阀311允许将未重新引导到燃料电池入口的部分排放到外部，即：

-来自阳极通道的在接收容器310中分离的水；以及

-存在于接收容器310中的氮气或其它不纯气体，优选地，其不由文丘里喷射器307进行再循环。

因此，该系统有利地能够有效地去除来自阳极通道的水而不产生氢气损失，并且没有任何由于重新注入氮气或其他不纯气体而污染燃料电池的风险。

我们现在还将基于图4描述这种系统的控制，图4示出了由传感器312测量的接收容器310内的压力变化。

在第一阶段1中，观察到压力增加。该阶段对应于排气阀305的打开，这导致向接收容器310排放来自电池的阳极出口的残留氢气。这个对应于阀打开时间的第一阶段的持续时间必须足以确保燃料电池内的足够的过量化学计量，例如为0.5至10秒。此外，因为氢气将由喷射器进行再循环，所以延长排气阀305的打开不会导致氢气的损失。然而，将避免将阀保持打开太长时间，以允许足够的排放周期性，例如每分钟2至10次。

一旦阀305关闭，我们就进入阶段2，在阶段2期间，文丘里喷射器通过抽吸氢气将接收容器310抽空，并将氢气重新引导到电池的入口。第二阶段的持续时间必须足够，以使在接收容器310内达到足够的负压，但持续时间必须不能太长，从而允许足够的排放周期性。例如，阶段2的持续时间可以设置在2到10秒之间。接收容器310还用作水分离器，并且需要借助于接收容器排气阀311将水排出到周围环境306中。可以周期性地操作接收容器排气阀311。然而，如上所述，仅当压力传感器312所指示的接收容器中的压力高于大气压时才打开阀311。

在图中未示出的另一个实施方案的示例中，可以由用于产生受控制的排放的计量孔(orifice calibré)并结合止回阀来代替阀311，以防止周围环境的空气重新引入接收容器310。

此外，如上所述，文丘里喷射器是自然选择性，即，将再循环孔的横截面针对氢气进行校准。存在与氢气混合的具有较高密度的气体(例如氮气)将导致文丘里效应的饱和，并且接收容器310将不再能够达到与真空相同的水平。

因此，如果在阶段2期间检测到接收容器310中的压力不再处于某个预定水平以下，那么这表示在接收容器中积聚了过量的氮气。在一个示例中，于是操作打开阀311，以去除氮气，同时使氢气的损失最小。这使得可以使氢气的损失最小化至低于1％的值。

Claims

1.一种燃料电池系统，其包括形成具有离子交换聚合物膜的燃料电池的电化学电池堆以及将燃料气体储存器连接到燃料电池的阳极的燃料气体供应回路，所述系统的特征在于，其包括：

- 氢气排气阀（305），其安装于电池堆的阳极出口；

- 排放出的氢气的接收容器（310），其中残留氢气在打开氢气排气阀时被排放并被引导至接收容器；以及

- 用于通过将排放出的氢气重新引导到燃料电池的阳极入口而使接收容器减压直到在接收容器中达到低于大气压的压力的装置，其中所述装置包括文丘里型喷射器，其中将所述喷射器的再循环孔的横截面针对氢气进行校准，以使文丘里型喷射器选择性地将从接收容器排放出的氢气重新引导到燃料电池的阳极入口。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其在氢气接收容器中进一步包括压力测量传感器（312）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其包括当氢气接收容器中的压力高于大气压时的氢气接收容器的排放装置（311）。

4.一种控制根据权利要求1所述的燃料电池系统的方法，其包括以下步骤：

- 向燃料电池的阳极部分供应氢气的步骤；

- 向接收容器排放燃料电池的阳极出口处的残留氢气的步骤；

- 通过使用文丘里型喷射器而选择性地将从接收容器排放出的氢气重新引导到燃料电池的阳极入口而使接收容器减压直到在接收容器中达到低于大气压的压力的步骤，其中排放残留氢气的步骤和使接收容器减压的步骤交替进行。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中，排放残留氢气的步骤对应于打开安装于燃料电池的阳极出口的氢气排气阀的步骤，并且当所述接收容器中的压力在大气压以下时开启。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其进一步包括从接收容器向大气排放水和气体的步骤，其中所述气体包括氮气。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其中，当所述接收容器中的压力高于大气压时，执行从接收容器排放水和气体的步骤。

8.根据权利要求4所述的控制方法，其中，当所述接收容器中的压力高于大气压时，通过关闭氢气排气阀而停止排放残留氢气的步骤。

9.根据权利要求4所述的控制方法，其进一步包括从接收容器向大气排放氮气的步骤。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中当所述接收容器中的压力不再处于预定水平以下时，执行从接收容器排放氮气的步骤。