[发明专利]燃料电池、燃料电池供气压力稳定控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的供气压力稳定控制方法及装置，以及基于此方法及装置的一种燃料电池。

背景技术

目前化石燃料作为主要能源既是经济发展和社会生活的重要物质前提，又是主要污染源。随着经济社会的发展，能源的需求量还在不断增加，而化石能源作为不可再生资源正在逐渐枯竭，而且还在加重环境的污染。因此应该寻找一种新的、清洁的、可持续发展的能源。在这种背景下，以氢作为载体的能源系统引起了人们的广泛关注。

燃料电池(Fuel Cell)是一种高效零排放的化学能—电能转化装置，被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。燃料电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的一种发电装置，它是由燃料、氧化剂和电解质构成的。与常规化学电源一样，电极提供电子移动场所，在阳极催化燃料（如氢）进行氧化过程，在阴极上进行还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成总回路。但是，燃料电池工作方式与常规化学电池有本质不同，它的燃料和氧化剂并不储存在电池内，而是由外部提供，即燃料电池不是电能存储装置而是发电装置。它是目前各类发电设备中效率最高的一种能量转换系统，效率可达60%～80%，还具有洁净、无污染、无传动部件、起动快、噪声低、模块结构、积木性强、装置可大可小，非常灵活和比功率高等特点。

各类燃料电池中，氢燃料电池最有发展前途。氢燃料电池阳极所需的燃料氢，可直接用纯氢或通过化石能源制氢、生物质制氢等方法制取。现有储氢装置一般可分为液化储氢钢瓶、压缩储氢钢瓶、吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置等类型。现阶段，直接采用液化储氢钢瓶或压缩储氢钢瓶提供纯氢的氢燃料电池已较为成熟。而通过吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置、化石能源制氢装置、生物质制氢装置等方法提供氢气的氢燃料电池，虽然具有更广泛的应用前景，但由于还存在一些尚未得到很好解决的问题，制约了它的应用和发展。

与采用液化储氢钢瓶或压缩储氢钢瓶能够实时调节供气速度不同，在采用吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置、化石能源制氢装置、生物质制氢装置等气体发生装置提供氢气时往往涉及到复杂的物理变化、化学反应或生物过程，所以无法实时调节供气速度，由于用电负荷的波动会使燃料电池的耗气速度发生变化，则燃料电池的供气压力就会产生波动，而供气压力波动会恶化质子交换膜的工作环境，大大缩短其使用寿命，甚至出现更严重的情形：如果供气压力下降到允许范围以下，将导致电池电压迅速下降，甚至内部短路，质子交换膜熔穿等事故。

因此，对于采用吸附储氢装置、金属氢化物储氢装置、化石能源制氢装置、生物质制氢装置等气体发生装置提供氢气的燃料电池而言，研制燃料电池供气压力稳定控制方法和装置以及基于该方法和装置的燃料电池，对改善燃料电池的工作状态并显著延长其使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种燃料电池供气压力稳定控制方法，方法简单、响应迅速且本质安全。为此，本发明采用以下技术方案：它在燃料电池的气体发生装置输出端与燃料电池电堆的阳极气体输入端之间提供与它们连通的储存气体的缓冲室，所述缓冲室的容积可以调节，当缓冲室内的气体压力出现变化时，缓冲室的容积立刻发生相应变化，减小或阻止缓冲室内的气体压力波动，为前端气体产量的调整争取到时间，消除气体发生装置响应延迟造成的时间上的调节死区。

本发明所提供的方法是依据理想气体定律实现快速压力调节的。

理想气体定律，也称理想气体状态方程，是描述理想气体状态变化规律的方程。对于一定量的摩尔数为n的理想气体，其状态参量压强P、体积V和绝对温度T之间的函数关系为PV= nRT，其中R是气体常数。在压强为几个大气压以下时，各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，压强越低，符合越好，在压强趋于零的极限下，严格遵循。

以燃料电池电堆的阳极气体输入端气体压力突然降低为例进行简要说明：当负载突然增大等原因引起氢气消耗量增加，而同时由于气体发生装置的响应存在延迟，导致送入缓冲室内的气体无法立刻同步增加，则会使缓冲室内的气体量即气体摩尔数n减小，在温度T变化不大的情况下，将使压强与体积的乘积PV下降；此时，若体积V保持不变，则压强P下降；而若此时体积V能够减小，就可减小或阻止压强P的下降，达到稳定压力的目的，从而为增加气体产量争取了时间。