CN1140003C - 把燃料电池结合到电化学工厂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述把燃料电池直接连接到电化学工厂的电解槽(2)的方法，电解槽产生副产物的氢气。副产物氢气供给燃料电池并且由此产生的电能传送给电解槽(2)整流器(3)，结果节约总的能量消耗。直接连接避免了对DC/AC转换器或电压调节器的需要并可在串联或并联中实施。后一种情况下燃料电池结合在组件中，其数目和电压由分断器(9，10，11)调节，分断器由计算机控制和监测系统接通。另外，改变供给燃料电池的空气压力能改变组件电压。

Description

把燃料电池结合到电化学工厂的方法
技术领域
本发明涉及一种把燃料电池结合到电化学工厂的方法。
背景技术
燃料电池是把化学能直接转化成电能的固定装置。为此，燃料电池不受与热力发动机相关的Carnot原理的限制影响并且实际上其特征在于高的转换效率(相对于供给燃料的低热值的50％或更多)。最令人感兴趣的燃料电池是在通常稍高于大气压力到3-5巴的压力下供给空气和氢气或含氢的气体的燃料电池。特别是为简便起见并且由于潜在的极大成本降低，目前的注意力集中在离子交换聚合物膜类型的燃料电池。在U.S.专利No.5482792中描述了特别适合膜燃料电池的一种设计。今天燃料电池的技术研究已极大提高，然而由于仍然高的制造成本，缺乏用于保证燃料电池工作所必须的辅助部件系统的可靠而有效的实例设计，以及使用的纯氢或含大量氢的气体的有效成本供给等，燃料电池的商业化仍很遥远。该最后一个问题实际上是克服包括电化学工厂的内部化学复合，该电化学工厂通常是氯碱工厂，氯酸盐电解和氢氯酸电解或精炼工厂，有时这些工厂的特征在于产生大量含氢的副产物气体。电化学工厂特别适合与燃料电池结合，尤其是当产生的氢经常很纯(氯碱电解，氢氯酸电解)或容易纯化(由氧和氯、氯酸盐电解的结果)时。此外，燃料电池产生的电能通常是直接型，同电化学工厂电解装置所需的电能相同。因此，由通过氢的再生来实际上降低总的电能消耗的最终结果，燃料电池原理上容易结合到电化学工厂。反之，在化学工厂的情况下，燃料电池产生的电能能够转化成交流电流，交流电流是这些工厂中安装的电动机、加热器和其它用电装置所需的能量形式。把电能从直流转换成交流的DC/AC转换器(称为逆变器)是很贵的装置，相对于产生电能的值来说，使安装的组件(燃料电池-连接管-热交换器-逆变器-电连接总线)有经济方面的缺陷。
这些考虑的兴趣在于把燃料电池结合到电化学工厂。其例子是U.S.专利No.4778579中描述的装置，它代表现有技术水平。正如其它专利描述的许多其他装置一样，该装置预见使用电压调节器，其目的是使在电解槽和燃料电池两端处的两电压匹配。这些电压随电流而变化，并且在恒电流下随时间变化而变化，正如U.S.专利4778579的图2中所描述。适用于电化学工厂的电能的电压调节器是很贵的装置，因而具有上述逆变器的相同麻烦，使基于燃料电池的系统装置几乎没有经济上的吸引力。
发明内容
本发明的目的是提供把燃料电池直接结合到电化学工厂中的方法。通过直接结合由总线把燃料电池连接到电解槽，而不用像现有技术中的那样插入任何电压变换器或电压调节器或类似装置。
根据本发明，提供一种把燃料电池连接到电化学工厂的方法，其中电化学工厂包括装备有导电总线的电解槽和整流器，所述电解槽形成作为副产物的氢气，所述氢气和压力下的空气供给燃料电池，其特征在于：所述方法是把燃料电池直接连接到电解槽的总线，而没有电压转换或调节的任何中间步骤。
附图说明
现在参照附图描述本发明。
图1是现有技术中燃料电池-电解槽-整流器-电压调节器的连接示意图。
图2是按照本发明的燃料电池-电解槽-整流器串联连接的示意图。
图3是按照本发明的燃料电池-电解槽-整流器并联连接的示意图。
图4是燃料电池组件的示意图。
图5是图4的燃料电池组件与电解槽-整流器并联连接的示意图。
图6是表示作为电压函数的单元燃料电池性能的图。
具体实施方式
在图中相同部件用相同参考标号表示，具体地，燃料电池由参考标号1表示，电解槽由2表示，整流器由3表示，电压调节器由参考标号4表示。
图2示意表示燃料电池-电解槽-整流器的串联连接。该连接的特征在于：在电路中各点的均匀电流以及由在电解槽电压和燃料电池电压之间的差值给定的整流器所需的电压。相反地，图3示意表示燃料电池并联连接到电解槽-整流器电路。在该情况下三个部件的电压相同，同时供给电解槽的电流由燃料电池和整流器的电流输出总和给定。两个系统取决于不同的应用以一定互补方式存在优缺点。具体地：
-串联连接不需要燃料电池的电流输出的任何控制，而实际上电流由整流器施加。当由整流器提供平衡时，不必控制燃料电池电压来使其与电解槽电压匹配。从如上所述清楚可见，串联连接就控制系统而论特别简单并且在调节电力负载变化方面高度延展。然而，它仅适用于实际上低电流的电路并且在相同功率输出时相对于并联连接要求更多数目的燃料电池。
-并联连接适合于任何范围的电流，甚至以单极性电解槽为代表的很高电流。其控制虽然比串联系统更复杂，但无论如何在工业规模上仍可接受。而且，并联连接相对于串联连接能使用更少数目的燃料电池。
通过使用适当的基本组件就能实现燃料电池总输出的控制。总的燃料电池系统由保证完全利用所有供给的氢所必须的基本组件构成。图4表示可能的基本组件结构。参考标号5和6表示所谓的燃料电池叠层(该叠层是由制造商作为商品提供的单元燃料电池的组合)。在图4中所示的实施例是纯粹的例子，无论如何不能当成本发明目的的限制。该实施例包括基本组件的两部分，由参考标号7和8表示，每一部分分别由串联的2个叠层构成，即分别由类型5和类型6构成。图4中类型6的叠层由多个单元燃料电池构成，其数目是类型5的叠层燃料电池数目的一半。假设仅使用图4的一个组件，图5表示与电解槽和整流器并联连接。具体地，在图5中能清楚可见如何通过参考标号9，10和11表示的分断器完成组件的连接。当分断器11接通时，组件的电压输出是最大，并且当分断器10或9接通时分别降至80％和70％。通过膜燃料电池叠层的通常尺寸所允许的组件结构，能随时间调节燃料电池系统的电压，以使其与电解槽电压匹配。由于各个部件例如电极的连续效率损失的结果，该部件的催化活性经历慢但恒定的退化，电解槽的电压会随时间变化。显然，燃料电池叠层电压的调节是间歇型的，并且调节越精确提供给组件的分断器数目越多。对使用大量氢的需要通过把一定数目的组件依次并联连接到电解槽-整流器来满足，氢根据供给电解槽的电流而变化。除上面讨论过的工作时间外，因为电解槽的电压也取决于供给到此的电流强度，改变插入组件的数目和组件本身的电压的分断器的接通受计算机控制和监测系统执行的迭代程序影响。本发明的另一实施例预料到通过改变供给燃料电池的空气压力就能实现组件电压的改变。图6表示作为单元燃料电池电压的函数的性能，如上所述，单元燃料电池是叠层的基本单元。应当注意，正是空气压力(而非氢气压力)显著影响电压。因此，当改变空气压力时，不必也改变氢气压力。这种情况通常在膜燃料电池中允许，如果适当设计，膜燃料电池能承受高至几巴的空气-氢气压力差值。
应当明白上述实施例不能作为对本发明的限制。上述本发明试图覆盖由下面附加权利要求限定的、落在本发明精神范围内的任何变化、替代、省略或其它结构。

Claims (9)

1.把燃料电池连接到电化学工厂的方法，其中电化学工厂包括装备有导电总线的电解槽和整流器，所述电解槽形成作为副产物的氢气，所述氢气和压力下的空气供给燃料电池，其特征在于：
所述方法是把燃料电池直接连接到电解槽的总线，而没有电压转换或调节的任何中间步骤。
2.如权利要求1的方法，其特征在于所述连接是串联式。
3.如权利要求1的方法，其特征在于所述连接是并联式。
4.如权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于所述燃料电池结合在组件中，所述组件被分为具有相同数目电池的燃料电池叠层部分。
5.如权利要求4的方法，其特征在于该方法包括依次插入所述组件，以便能够把所述氢气用于所述燃料电池。
6.如权利要求4的方法，其特征在于该方法包括通过顺序地插入所述组件部分来调节所述燃料电池的电压。
7.如权利要求5的方法，其特征在于该方法包括通过计算机控制和监测系统来顺序地插入所述组件和所述组件部分。
8.如权利要求6的方法，其特征在于该方法包括通过改变空气压力来调节所述燃料电池的电压。
9.如权利要求5的方法，其特征在于该方法包括通过计算机控制和监测系统来顺序地插入所述组件和改变空气压力。
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