燃料电池系统与操作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池系统与操作方法，为了实现燃料电池系统阴极与阳极间的短路，从而理想地调整运行状态、系统设计及系统参数，从而最大限度地消除阳极和阴极（催化剂）的中毒，以及平衡水管理。因此本发明专利技术在负载支路中设置了控制元件（８），其包含两个串联的ＭＯＳ管（９，１０），每个ＭＯＳ管包含一个主电流通道（１１）和一个与主电流通道（１１）并联的内部二极管（１２），其内部二极管（１２）反向连接，从而在短路期间切断负载，而没有产生反向电流的危险。这使得燃料电池系统对于参数变化能够作出安全迅速的反应，即使经过很长一段时间闲置后也能为负载提供稳定的功率输出，因而通过最小化系统内部电力需求以达到降低成本和减轻重量的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种燃料电池系统，其包括至少一个包含阳极端口和阴极 端口的燃料电池； 一条包含一个开关并连接上述端口的短路支路；包含控制 或开关元件以连接负载的支路；这项专利技术进一步涉及一种操作燃料电池系统 的方法。
技术介绍
燃料电池技术是众所周知的。燃料电池系统是一种电化学装置，其将燃 料和氧化剂进行反应以产生电力和水。 一种典型反应以氢气作为燃料，以空 气作为氧化剂。其它的燃料和氧化剂可以根据具体的运行条件来提供。燃料电池在两个电极界面分别进行反应以产生电动势，两个电极界面共 用同一电解质。以使用氢气和空气的燃料电池为例，氢气被输送到第一个电 极——阳极上，在催化剂的作用下发生反应产生电子和质子。电子通过连接 两个电极的外电路传导到第二个电极——阴极上。质子通过电解质传导到阴 极。此时空气中的氧气被输送到阴极，在催化剂的作用下被还原，和从外电 路来的电子和(从电解质中来的)质子结合产生了该反应的产物一水。该反 应的反应烚部分转换为电能在外电路中被消耗，部分转换为热能被释放。聚 合物电解质膜(polymer-electrolyte-membrane)经常被用做质子交换膜燃料电 池的电解质。燃料电池系统至少包含一个燃料电池，优选多个燃料电池连接起来以提 供更高的输出电压。多个燃料电池的构造可以以平面的形式或传统的堆叠形 式。如果以空气作为典型的阴极反应物——以氢气作为燃料，堆叠的设计可 根据用电器的需要而变化。开放的阴极设计具有质量轻的优点；反应的空气是由外部的鼓风机通过开放的通道输送到阴极的，空气也通常作为冷却介 质。在封闭的阴极设计中，反应的空气被泵入电堆，阴极腔室相对于外界是 密封的。每个燃料电池在阳极和阴极侧都包括分配反应物的材料——气体扩散 层。特别是阴极侧的气体扩散层，其选择对系统设计是敏感的。根据不同的 堆叠设计，气体扩散层的氧气和水蒸汽的有效扩散系数是可调节的。有效扩 散系数描述了通过多孔介质孔隙的扩散，因为它定义了整个孔隙空间，而非 单个的孔，因此它是一个宏观参数。有效扩散系数由对介质传输有效的孔隙 率，曲率和压縮率确定的。在阴极开放式设计中，气体扩散层的扩散常数较 小，这是由于只有不必用于对膜保湿的部分生成水允许被输入的空气流带 走。在阴极封闭式设计中，气体扩散层的扩散常数较大，这是由于为了避免 阴极反应气体被阻塞，水是不允许以液态形式积聚在气体扩散层的孔隙里 的。将燃料电池引进市场以得到广泛应用所面临的挑战仍是成本问题。电池 所使用的催化剂——铂、聚合物电解质膜的生产以及用来制造气体扩散层和 集电板的碳材料的成本都是高的。因此，用简单的方法提高燃料电池系统总 的净输出功率，并且在整个系统生命周期内保持这一输出功率是很重要的。 运行模式和非运行模式中输出功率的损失都必须加以避免。燃料电池性能的衰退有各种原因，其中最关键的原因可以概括为阴极催化剂的堵塞，阳极催化剂堵塞以及燃料电池系统中水管理(waterhousehold) 的变化。氢氧化物会使阴极催化剂堵塞是众所周知的主要问题。氢氧化物对铂原 子的吸附使阴极的催化能力变弱。美国专利US 6,635,369阐述了一种降低电 压水平以消除这种性能衰退的方法。燃料中如果含有即使是很少量的一氧化碳或其他"有毒"的液体或气体 都会使阳极催化剂中毒。当用空气做氧化剂时，"有毒"物质会存在于空气中；"有毒"物质也会从用来固定石墨的合成材料中散发出来，其被用来制造离阳极催化剂很近的气体扩散层或集电板。美国专利US 3,395,045阐述了一种消 除阴极催化剂中毒的简单方法，这种方法不仅要降低电压水平，还要使燃料 电池短路，即由一条短路的电路连接氢电极和氧电极。与此同时切断(通入 的)氢气流会增强这种短路的效果。这种方法的风险是燃料电池系统或至 少电堆中的部分电池在有水存在的情况下可能会转化为电解电池。当燃料不 足和短路未能完全均匀分布于(这只有在理论上才能做到)整个燃料电池系 统中时，这种情况会发生。电解的后果是氧气会在阳极产生，催化剂因此被 破坏。水管理问题作为性能衰退的原因，可以在聚合物电解质膜(质子交换膜) 的结构中得到解释。只有当质子交换膜被水充分润湿时，氢质子的传导才能 处于最佳状态。如果水分减少，膜的内阻将会显著增加。水管理的另一方面 是液态水的产生。液态水像一层膜那样覆盖在膜的表面和气体扩散层的孔 中，从而阻止了氧气接触催化剂。欧洲专利EP 0968541再次阐述了一种以 脉冲方式改变阳极电势而不改变燃料电池总体电压的方法。尽管这项专利技术的 主要目的是通过氧化吸附在催化剂上的一氧化碳以净化阳极催化剂，尤其适 用于使用重整酒精作为燃料的情况；电压脉冲的另一个积极的、众所周知的 作用是温度的升高及液态反应水的蒸发。这种电压脉冲或是短路的副效应， 革新了燃料电池的水管理，美国专利US 6,620,538也有相关的阐述。所有上述的方法都使用了达到短路的程度的电压脉冲以克服所述的三 个主要问题所导致的性能衰退。为了实现这种短路，各个专利使用了各种简 单的装置美国专利US 3,395,045使用了一个开关；欧洲专利EP0968541 使用了一个晶体管；美国专利US6，620，538 (该专利再次要求权利，根据测 量到的电阻值，对一个燃料电池的阴极和阳极进行短路)披露了由一个场效 应晶体管和一个作为被动分流电路的二极管组成的分流控制电路，当所述场效应晶体管发生故障时，所述二极管开始运行。所有这些短路装置都有以下缺点如果感性负载、容性负载或电池在短 路模式中，例如燃料电池的阳极和阴极之间短路时，所述负载中会产生一个 反向电流。所述反向电流可能会破坏短路开关。如果负载是个电机的话，就 会造成急速的制动。此外，如果使用晶体管，将会导致系统内部功耗的显著 增加，最终导致总输出功率的损失。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为了克服现有技术中反向电流可能会破坏 短路开关、导致总输出功率的损失等的缺陷，提供一种燃料电池系统与操作 方法，其在短路期间切断负载，而没有产生反向电流的危险，这使得燃料电 池系统对于参数变化能够作出安全迅速的反应，即使经过很长一段时间闲置 后也能为负载提供稳定的功率输出，因而通过最小化系统内部电力需求以达 到降低成本和减轻重量的目的。本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题的 一燃料电池系统， 其包括至少一个燃料电池，其包括一个阳极端口和一个阴极端口； 一个短 路支路，其包括一个与所述端口连接的开关；连接一负载的支路，其包括控 制元件，其特征在于，该控制元件包含两个MOS管，每个MOS管包含一 个主电流通道和一个与主电流通道并联的内部二极管，所述的两个MOS管 串联，其两个内部二极管反向连接。其中，构成控制元件的两个MOS管以及短路支路中的开关是由一微处 理器控制的。其中，短路支路中的开关也是一个MOS管。其中，构成控制元件的两个MOS管设置于支路中燃料电池的阴极端口 和负载之间。本专利技术的另一技术方案为提供一种燃料电池系统的操作方法，该方法的 特点是燃料电池系统被周期性地脉冲短路；对于每个短路脉冲，其步骤是7首先同时切断通过所述控制元件中的两个MOS管的电流，然后接通短路支 路的开关。其中，在短路脉冲期间也供应燃料。其中，短路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，其包括：至少一个燃料电池（１），其包括一个阳极端口（２）和一个阴极端口（３）；一个短路支路（６），其包括一个与所述端口连接的开关（７）；连接一负载（５）的负载支路（４），其包括控制元件（８），其特征在于，该控制元件（８）包含两个ＭＯＳ管（９，１０），每个ＭＯＳ管包含一个主电流通道（１１）和一个与主电流通道（１１）并联的内部二极管（１２），所述的两个ＭＯＳ管（９，１０）串联，其两个内部二极管（１２，１２）反向连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，金珂，
申请(专利权)人：上海清能燃料电池技术有限公司，
类型：发明
国别省市：31[]