[发明专利]多次注入燃料电池及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池组，并尤其涉及氢燃料电池组。

背景技术

燃料电池组是反应物之间发生电化学反应的基本电池堆，该反应物随着反应对它们的消耗而逐渐被引入。在氢燃料电池组的情况下作为氢的燃料与阳极接触；用于氢燃料电池组的氧化剂、氧气或空气与阴极接触。阳极和阴极由可以是固体膜的电解质分隔开，该固体膜对某些但并非全部反应的成分具有可渗透性。反应被细分成两个半反应（氧化及还原），这两个反应一方面发生在阳极/电解质的界面，而另一方面发生在阴极/电解质的界面。在实践中，固体电解质是对氢离子H⁺具有可渗透性但对二氢分子H₂或电子没有可渗透性的膜。在阳极的还原反应是产生H⁺离子及电子的氢的氧化，其中，H⁺离子能通过膜，而电子由阳极收集；在阴极这些离子参与氧的还原，从而需要电子并产生水，还释放出热。

电池堆只是反应的位置：必须向其提供反应物，并且产物及非反应性物类必须从其排出，正如产生的热一样。最后，电池彼此串联连接，一个电池的阳极连接到相邻电池的阴极；在电池堆的两端，在一侧阳极连接到负端子，以便排出电子，而在另一侧阴极连接到正端子。外部电路连接到这些端子。随着电化学反应的进行，电子经由外部电路从阳极流向阴极，从而由电池组来供电。

燃料电池组可以被分为多个堆，每个堆具有用于提供反应流体和冷却剂的电端子及接口；然后从流体的角度及电的角度，这些子组件并联或串联连接。关于流体连接，并联是到目前为止最经常遇到的。

在使用氢及大气作为反应物的系统中，压缩空气被输送到电池组，并在阴极侧渗入到电池组中之前通过一系列部件（过滤器、换热器、增湿器，等等）。在阴极出口，通常将空气干燥以回收加湿所必需的水，然后大部分水经常经由允许保持线路压力的背压调节器（即，上游压力的调节器）来进行排出。在阳极侧，可以从大量不同的源（例如加压罐）中获得氢，从而能够避免依赖用于压缩气体的设备。因此，在经过在线路中施加预期压力的简单减压阀或电磁阀之后，氢常常被传送到电池组。大多数这些可能的源都输送干燥的氢。

在电池出口，具有多种可能的情况：可以部分地将注入到电池组但未由反应消耗的氢而与来自源的干燥氢一起再次注入电池组入口，以便使电池组中的混合物均质化，即，为了将其与不参与反应并反而倾向于抑制反应的反应产物及存在的非反应性种类（尤其是氮，经由穿过膜的渗透来自阴极）混合；另外，这种再循环能够使到达电池的氢保持一定湿度；具体来说，在反应产物中，水蒸汽与未消耗的氢混合，且这种水蒸汽与氢再循环；对于电解质膜，为了使氢有较低活跃性，加湿是期望的。然而，实现该回注的再循环系统既复杂又昂贵。

可替换地，可以定期吹洗（purge）电池，以排出反应的产物，尤其是氮。然而，等到电池中存在过多的氮再吹洗是不可能的，这是因为电化学反应会停止。在不同时吹洗一定量氢的情况下无法进行吹洗已成为阻碍的产物；因为氢的成本，这是不利的损失，并期望最小化这样被吹洗的氢的数量。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种系统，该系统能够减少在吹洗期间反应物（尤其是氢气）的损耗，而不需要复杂的再循环系统。

根据本发明，提供了一种通过在至少两种反应物之间的电化学反应产生电功率的燃料电池组，所述电池组包括至少一个电池堆，每个电池都由电解质、阳极和阴极的组件构成，所述堆设置有供应至少一种反应物的装置和用于排出反应副产物的装置，该装置能够向所述堆中的电池输送该反应物，其特征在于：

-所述电池组的电池被分成N组，N为整数>1，并且用于供应反应物的装置包括用于给每组电池供应的相应供应歧管，该歧管能够向一组电池选择性地输送反应物，而并不将其输送到其它组电池，

-所述供应装置包括选择性开关装置，其用于许可和防止反应物通过到达每个歧管，

-所述排出装置包括一个或多个排出歧管，该排出歧管被布置为允许未由反应消耗的反应物在N组电池之间流动，且该排出歧管包括吹洗阀。

各组电池优选在同一堆中以交错方式来堆叠，也就是说，在同一堆中的一组电池与另一组电池相邻。还可以设想对于要由多个堆形成的电池组，每个堆都对应于相应组的电池，但这种配置会不太有利，因为它不太紧凑。

穿过电池堆的排出歧管优选是公共的，即，所有组电池都直接与该歧管连通；然而，也可以为每个组提供单独的歧管；然后可以将它们连接到该堆的出口，以便确保从一组自由流动到另一组。