[发明专利]控制和最大化燃料电池的电效率和功率输出的方法

说明书

发明领域

本发明涉及控制和最大化燃料电池的电效率和功率输出的崭新方法。

背景技术

如业内已知的，燃料电池是适于通过利用在氧化还原反应中发生的电子交换而产生电动势的电化学设备或装置。电化学设备的电效率是通过化学能至电能的转换的比率测得的——它在这里被定义为与发生在所研究的电化学设备中的氧化还原反应中牵涉到的单位摩尔量的试剂关联的吉布斯自由能。

迄今为止，已常见地追求燃料电池的生产成本的最小化，生产成本与牵涉到的电极表面直接成比例。这种需要已使研究努力朝向研发其电极的每单位有效表面积所提供可能的电能密度比率最高的燃料电池。

此外，当今的燃料电池研发策略基于与牵涉到的具体FC技术(PEM、ACFC、MCFC、SOFC等)无关的假设，即燃料电池的内部耗散电阻是由装置本身的技术特征设定的，例如材料、催化剂、电池架构以及电解质的类型，同时考虑内部耗散电阻与一些宏观工作参数和一些局部工作参数之间的依存性的绝大部分边界，所述宏观工作参数例如为压力、流量、每单位的电极有效面积所产生的平均电流密度，所述局部工作参数例如为局部电流密度和试剂混合物沿总馈电通道的稀释梯度。因此，认为相同的假设对于燃料电池的电效率同样有效。

最近，根据前面提到的理论模型，存在用来控制燃料电池的输出功率和电效率的两种等效方法。这些方法包括改变所牵涉的电极的有效表面积，或者如US-7,569,293B1和2007年8月20日在美国纽约的梅尔维尔的AIP的科学仪器纵览(Review of Scientific Instruments)的78卷和8卷中发表的论文“Efficiency measurement and uncertainty discussion of an electric engine powered by a self-breathing and self-humidified proton exchange membrane fuel cell”中示出的那样，仅改变所使用的试剂的流速。任一方法的选择完全依赖于人们选择如何定义所使用的燃料电池的标称功率(工业电源)。

第一方法适用于这样的情形，其中所使用的燃料电池的标称功率与其在最大效率的工作条件(试剂的温度、流量和压力、电负载等)下产生的功率一致。在这种情形下，可基于反应中牵涉到的总的电极有效表面积的简单变化来定义功率控制方法，同时维持其余工作条件不变。

然而，当其标称功率被定义为最大输出功率时(与引擎功率以最大扭矩下的HP来表达的汽车领域相较)，如US-7,569,293B1中披露的第二方法有可能找出燃料电池的相对最大效率。

如前面提到的两篇现有技术文献所描述的，统一的工作模型能针对由电池的前述技术特征确定的每项具体技术来标识“最大相对效率”。

这种假设，连同降低燃料电池的生产成本的需求，已导致寻求某些材料、催化剂、电池架构、电解质和工艺，这些要素被调整以获得最低可能内部电阻和每单位有效表面积的最高可能电流密度。

作为其结果，现存于市场上的所有燃料电池达到在48％和55％之间的最大相对效率。

对于燃料电池，“主要氧化还原反应”被定义为在与燃料电池并联的外部电路中流动的电流的产生过程中所牵涉到的氧化还原反应。主要氧化还原反应中未牵涉到的任何材料被定义为“稀释剂”，而主要氧化还原反应中实际涉及的任何化学物质被定义为“试剂”。当然，稀释剂在这里包括所有范围的可能的化学物质。

发明概述

本发明的主要目的是提供一种以简单和快速方式控制燃料电池的电效率的方法。

本发明的另一目的是提供在操作燃料电池自身之前控制燃料电池的电效率的方法。

本发明的另一目的是提供一种控制燃料电池的电功率输出的方法，该方法适于根据输出功率和电流效率之间的平衡的需求而动态地优化，由此相对于与燃料电池中发生的反应相关的吉布斯自由能而将能量转化效率增加至接近100％。

本发明的另一目的是提供一种不受燃料电池的技术特征和发生在燃料电池中的化学动力现象的影响而控制燃料电池的电功率输出的方法。

本发明的另一目的是提供一种不受反应中牵涉到的电极有效表面积的量的影响而控制燃料电池的电功率输出的方法。

本发明的另一目的是提供一种测量燃料电池的电效率的方法。

本发明的另一目的是提供一种控制和计量燃料电池的电功率输出的方法，该方法适于控制任何类型的燃料电池。

本发明的另一目的是提供一种控制由燃料电池产生的热功率和电功率之间的比率的方法。