CN110504470B - 一种燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统和运行燃料电池系统的方法。其中，该燃料电池系统包括燃料电池、控制器、开关、供氧设备以及输出电路；其中，燃料电池包括正极和负极；燃料电池为阴极封闭式燃料电池；控制器用于驱动控制信号以调整供氧设备的供氧气流相对于输出电流的电化学计量比；其中，电化学计量比为α，α满足：1≤α≤4；控制器与开关、供氧设备以及燃料电池电气连接，燃料电池与输出电路电气连接。本发明的方法利用本发明的燃料电池系统，优化燃料电池性能而中断输出的时间非常短，因此非常有利于提供更稳定的输出。

Description

一种燃料电池系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地涉及一种燃料电池系统以及运行这种燃料电池系统的方法。
背景技术
燃料电池，能以较高的效率将氢气与氧气(通常是空气中的氧气)直接转化为电能，反应副产品是纯水。因此具有节能、环保等优点。
为了提高燃料电池的输出性能，国外提出了称为Starvation的技术，通过短时间(例如数秒钟)减少甚至中断供氧，使得氧气供给不能满足电化学反应所需，同时燃料电池输出电压跌落，甚至接近0V。经过Starvation处理后的燃料电池，性能会有明显的提高和恢复，但在使用中性能又会缓缓下滑。
由于Starvation并非一劳永逸，因此需要经常性地实施，才能将燃料电池的输出性能维持在较高的水平。但是，Starvation期间，由于减少甚至中断供氧以及电压跌落，燃料电池无法对外输出；同时由于减少或者中断供氧需要调控风机/风门等机械装置，因此每次处理执行Starvation的时间难以缩短。此缺点制约了Starvation技术的推广使用。
因此，本领域急需开发新的具有较高输出性能的燃料电池系统及其运行方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种输出性能高的燃料电池系统及其运行方法。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种燃料电池系统。所述系统包括燃料电池、控制器、开关、供氧设备以及输出电路；其中，
所述燃料电池包括正极和负极；
所述燃料电池为阴极封闭式燃料电池；
所述控制器用于驱动控制信号以调整所述供氧设备的供氧气流相对于输出电流的电化学计量比；其中，所述电化学计量比为α，α满足：1≤α≤4；
所述控制器与所述开关、所述供氧设备以及所述燃料电池电气连接，所述燃料电池与所述输出电路电气连接。
优选地，所述供氧设备为供氧设备或压缩空气缸和可控减压阀的组合设备。
在另一优选例中，所述系统还包括限压器。
在另一优选例中，所述开关与所述燃料电池的正极和负极直接连接。
在另一优选例中，所述开关与所述燃料电池的正极和负极间接连接。
在另一优选例中，所述系统中还包括保险丝。
在另一优选例中，所述开关为MOSFET。
在另一优选例中，所述开关包括源极、漏极和门极。
在另一优选例中，所述燃料电池和所述输出电路之间设有二极管。
在另一优选例中，所述燃料电池和所述输出电路之间设有固态继电器。
在另一优选例中，所述系统还包括排热系统。
在另一优选例中，所述系统还包括排水系统。
在另一优选例中，所述系统还包括安全装置。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种运行燃料电池系统的方法。所述方法包括以下步骤：
(a)提供一燃料电池系统，所述系统包括燃料电池、控制器、开关、供氧设备以及输出电路；其中，所述燃料电池为阴极封闭式燃料电池；
(b)闭合所述系统的所述开关；
(c)驱动所述控制器，控制所述供氧设备向所述燃料电池的正极供给的供氧气流相对于运行输出电压的电化学计量比；其中，所述电化学计量比为α，α满足：1≤α≤4；
(d)脉冲性地将正常运行供氧量的所述电化学计量比的质子从所述燃料电池的负极传到正极；其中，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到小于等于0.2V；以及
(e)通过输出电路输出电流。
优选地，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到小于等于0.1V；更优选地，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到小于等于0.05V。
优选地，电化学计量比为α满足：1.4≤α≤2.8。
所述供氧设备为供氧设备或压缩空气缸和可控减压阀的组合设备。
脉冲宽度为D，D满足15ms≤D≤100ms。
脉冲周期为T，T满足5s≤T≤30s。
通过输出电路输出电流的方法为：在此脉冲开始之前切断燃料电池对外输出，在此脉冲结束之后，恢复燃料电池对外输出。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明的燃料电池系统的一种典型结构示意图。
图2为本发明的燃料电池系统的另一实施例的结构示意图。
各附图中标记如下：1-燃料电池；2-控制器；3-开关；4-供氧设备；5-源极；6-漏极；7-门极；8-慢断式保险丝；9-二极管；10-固态继电器；11-空气流。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种运行燃料电池的方法。而运行该方法的燃料电池为阴极封闭式燃料电池。之所以能够提高或恢复燃料电池的输出性能，主要是因为穿过质子交换膜到达阴极的质子，没有得到足够的氧气或氧原子反应生成水，而重新形成了氢气，此氢气还原/清洗了催化剂表面的污染气体，和/或还原了被氧化的催化剂。本发明的运行燃料电池的方法为：供氧气流相对于运行输出电流的电化学计量比小于4，大于1；脉冲性地将超过正常运行供氧量的对应计量比的质子从阳极传送到阴极。判断超过正常运行供氧量的对应计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到小于0.2V。
本发明的方法不必减少或者中断供氧，但是由于脉冲期间，穿过质子交换膜到达阴极的质子超过了反应所需，也能在阴极形成氢气；因此也能还原/清洗催化剂表面的污染气体，和/或，还原被氧化的催化剂。污染气体包括(但不限于)氧化物，硫化物，一氧化碳，有机挥发物。质子/氢气过量不一定是全局过量，有可能是局部过量，流道中可能还有少量氧，但因为传质阻抗无法和氢气立刻反应。所述脉冲的占空比很小，对电能输出的影响很小。
在此基础上完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“MOSFET”指金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。
本发明的主要优点包括：
本发明的方法利用本发明的燃料电池系统，优化燃料电池性能而中断输出的时间非常短，因此非常有利于提供更稳定的输出。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
如图1所示，本发明的燃料电池系统的一种典型实施例。该燃料电池系统包括燃料电池1、控制器2、开关3、供氧设备4以及输出电路。在本实施例中，该供氧设备4为供氧风机。控制器2通过风机控制线与供氧风机连接。该燃料电池为阴极封闭式燃料电池。该开关3为MOSFET，其经过慢断式保险丝8间接连接燃料电池正负极两端，开关3包括源极5、漏极6和门极7。燃料电池正极经二极管9对外输出，当MOSFET受控接通的脉冲期间，负载可能包含的输入电容不会被短接，其它辅助供电的外部电源也不会被短接。采用空气流11充当供氧气流，燃料电池控制器控制供氧设备4，将空气流11相对于运行输出电流的电化学计量比控制在2。燃料电池控制器向MOSFET提供周期10s、脉宽30ms的脉冲，使得MOSFET在脉冲期间接通，将超过正常运行供氧量的对应计量比的质子从阳极传送到阴极，在阴极形成氢气。燃料电池堆叠的单电池数量为40片，单电池有效面积是46cm2，实测限压脉冲期间的电压约为1V，即单电池平均电压0.025V。
实施例2
如图2所示，本发明的燃料电池系统的另一种实施例。该燃料电池系统包括燃料电池1、控制器2、开关3、供氧设备4以及输出电路。在本实施例中，该供氧设备4为供氧风机。控制器2通过风机控制线与供氧风机连接。该燃料电池为阴极封闭式燃料电池。该开关为MOSFET，其经过慢断式保险丝8间接连接燃料电池正负极两端，开关3包括源极5、漏极6和门极7。该燃料电池正极经固态继电器10对外输出，此固态继电器10受燃料电池控制器的控制。采用空气流11充当供氧气流，燃料电池控制器控制供氧设备，将空气流11相对于运行输出电流的电化学计量比控制在1.8。燃料电池控制器向MOSFET提供周期15s、脉宽50ms的脉冲，使得MOSFET在脉冲期间接通，将超过正常运行供氧量的对应计量比的质子从阳极传送到阴极，在阴极形成氢气。此燃料电池控制器还控制固态继电器，在所述50ms脉冲开始之前5ms，预先切断对外输出，在所述50ms脉冲结束之后45ms，重新接通对外输出。燃料电池堆叠的单电池数量为40片，单电池有效面积是46cm2，实测限压脉冲期间的电压约为1V。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (16)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括燃料电池、控制器、开关、供氧设备以及输出电路；其中，
所述燃料电池包括正极和负极；
所述燃料电池为阴极封闭式燃料电池；
所述控制器用于驱动控制信号以调整所述供氧设备的供氧气流相对于输出电流的电化学计量比；
所述控制器与所述开关、所述供氧设备以及所述燃料电池电气连接，所述燃料电池与所述输出电路电气连接；
所述控制器向所述开关提供周期脉冲，使得所述开关在脉冲期间接通，脉冲性地将超过正常运行供氧量的所述电化学计量比的质子从所述燃料电池的负极传到正极而不必中断供氧；
其中，在所述电化学计量比为2的情况下，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到0.025V，所述脉冲的周期为10s、脉宽为30ms；在所述电化学计量比为1.8的情况下，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到0.025V，所述脉冲的周期为15s、脉宽为50ms。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供氧设备为供氧设备或压缩空气缸和可控减压阀的组合设备。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括限压器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关与所述燃料电池的正极和负极直接连接。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关与所述燃料电池的正极和负极间接连接。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统中还包括保险丝。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关为MOSFET。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关包括源极、漏极和门极。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池和所述输出电路之间设有二极管。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池和所述输出电路之间设有固态继电器。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括排热系统。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括排水系统。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括安全装置。
14.一种运行燃料电池系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一燃料电池系统，所述系统包括燃料电池、控制器、开关、供氧设备以及输出电路；其中，所述燃料电池为阴极封闭式燃料电池；
(b)闭合所述系统的所述开关；
(c)驱动所述控制器，控制所述供氧设备向所述燃料电池的正极供给的供氧气流相对于运行输出电压的电化学计量比；
(d)脉冲性地将超过正常运行供氧量的所述电化学计量比的质子从所述燃料电池的负极传到正极而不必减少或者中断供氧；以及
(e)通过输出电路输出电流；
其中，在所述电化学计量比为2的情况下，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到0.025V，所述脉冲的周期为10s、脉宽为30ms；在所述电化学计量比为1.8的情况下，判断满足运行条件的所述电化学计量比的质子的标准是将单电池平均电压降到0.025V，所述脉冲的周期为15s、脉宽为50ms。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述供氧设备为供氧设备或压缩空气缸和可控减压阀的组合设备。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过输出电路输出电流的方法为：在此脉冲开始之前切断燃料电池对外输出，在此脉冲结束之后，恢复燃料电池对外输出。
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Address after: Room 302-309, 3 / F, building a, emerging industry development center, Zhangjiagang Free Trade Zone, Suzhou, Jiangsu 215600

Applicant after: JIANGSU HORIZON NEW ENERGY TECHNOLOGIES Co.,Ltd.

Applicant after: Haisheng hydrogen Automobile Co.,Ltd.

Address before: Room 302-309, 3 / F, building a, emerging industry development center, Zhangjiagang Free Trade Zone, Suzhou, Jiangsu 215600

Applicant before: JIANGSU HORIZON NEW ENERGY TECHNOLOGIES Co.,Ltd.

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Address after: One of Building D2, No.1 Xiangda Road, Danzao Logistics Center, Danzao Town, Nanhai District, Foshan City, Guangdong Province (Residence Declaration)

Patentee after: Guangdong Qingneng New Energy Technology Co.,Ltd.

Patentee after: Haisheng hydrogen Automobile Co.,Ltd.

Address before: Room 302-309, 3 / F, building a, emerging industry development center, Zhangjiagang Free Trade Zone, Suzhou, Jiangsu 215600

Patentee before: JIANGSU HORIZON NEW ENERGY TECHNOLOGIES Co.,Ltd.

Patentee before: Haisheng hydrogen Automobile Co.,Ltd.