[发明专利]质子交换膜燃料电池堆备用发电机的运行管理

说明书

技术领域

本发明涉及一种具体旨在没有电网供电的情况下提供备用的燃料电池发电机，其中多个燃料电池被堆叠，用于从分别在燃气电极（阳极）和氧化气体电极（阴极）上供应燃料气体和氧化气体开始产生电能。特别地，本发明涉及一种用氢气作为燃料的质子交换膜（PEM）类型的燃料电池系统，其中执行一种加湿PEM电池的特定的管理。

背景技术

众所周知，保持适当的加湿是关于基于PEM燃料电池技术产生电能和热能的系统管理最微妙的方案之一。

燃料电池用氢气作为能源载体代表了在技术上最有前途的方案之一。燃料电池为能够通过采用电化学反应将化学能转换成电能的设备。

在单个PEM电池中，两个半反应（semireaction）同时发生，一个在阳极而一个在阴极。通过电解质使PEM电池的阳极和阴极隔离，阳极和阴极典型地通过能够引导质子的磺酸盐聚合物的膜构成，电极的两侧涂有一层适当的催化混合物（catalytic mixture）（例如，铂基混合物）。电解质通常充满离子传输液体（例如，水），使得氢离子能够从阳极穿越到阴极。

在燃料电池中发生的整体反应是

2H₂+O₂→2H₂O    （1）

该整体反应伴随着热能和电能的增加，并且由分别发生在阳极以及阴极的两个半反应的综合产生该整体反应，在阳极发生的半反应即

2H₂→4H⁺+4e^-    （2）

以及在阴极发生的半反应即

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O    （3）

因此，供应至阳极的是氢气，其在催化层内扩散并在催化层内分解成氢离子和电子，其中，考虑到膜不渗透氢离子和电子，因此，氢离子和电子穿过外部电路最远到达阴极，产生电流和相应的电位差。而供应至阴极的改为包含氧气的混合气体，所述混合气体与已经穿过电解质的氢离子和来自外部电路的电子反应。

正是考虑到通过聚合物膜产生穿过质子的水分子，因此对于反应物气体来说使其潮湿是必要的：过低的潮湿度导致质子更难从阳极部件穿过到阴极部件，导致燃料电池的性能水平下降；而在液体状态中凝结了过高的潮湿度，导致催化部位闭塞并且燃料电池的性能水平下降。因此，反应物气体的加湿在管理燃料电池系统中是非常微妙的参数。

由于明确定义的最大电压的产生与反应（1）有关，从而为了达到更高的电压，多个燃料电池通常串联连接以形成堆。

燃料电池发电机具体旨在缺乏电网供电的情况下提供备用，除了堆之外，该燃料电池发电机还包括液压回路（泵、管道、消散设备等）、用于供应和排出气流的电路（用于氢气供应的管道、用于供应氧化气体混合物的管道等）以及控制系统（控制单元，用于测量温度、流量以及压力的仪表，致动器等）。这些元件的整体通常被称为“配套设施”（BoP）。在这种系统的许多公知的实施例中，BoP包括可利用在加工期间产生的水的回收使堆的入口处的空气潮湿的设备。该设备通常由能够以水分子的渗透梯度从穿过一部分膜的排出气体转移到穿过膜的另一侧的传入气体的一系列聚合物膜构成。

一些实施例还设想再循环，且由于鼓风机或泵的使用与从堆中排出的至少一部分气流的“新”气体进行混合，然而，这伴随了降低效能、增加系统的噪音以及增加失败的风险。

最后，通常将空气用作阴极气体，因此鼓风机或泵对于向堆供应空气、克服阴极电路本身的头部的损耗是必要的。

例如，从第US-A-5543238号文件了解包括如上所述的所有特征的系统。在所述系统中，通过压缩机，对出口处的阴极气体和阳极气体这两者的一部分执行再循环。然而，需要保持用于至少使阳极气体潮湿的系统，该阳极气体通过外部湿度源来运行。

发明内容

从目前为止已经描述的内容可以推断，备用发电系统的公知实施例是相对昂贵和笨重的，并且需要正确和仔细的日常维护，以防止当考虑到它们是备用系统因此设计为仅间歇地干预时，备用发电系统变得不可靠，例如，仅当需要移动部件（泵、压缩机等）时，要求准确的控制移动部件以不被损坏。