本发明专利技术涉及一种针对缺乏网络供电时的备用而专门设计的燃料电池发电机。根据本发明专利技术，燃料电池发电机包括燃料电池堆、用于向所述堆提供第一和第二反应物流的装置、以及岐管体，所述装置依次包括减压装置，所述岐管体将第一和第二反应物流以及经由各自的冷却液环路的至少一个冷却液的流提供给所述堆。所述岐管体内部包括用于混合所述反应物流和相应的再循环的产物流的室和冷却液流体膨胀室，在所述冷却液流体膨胀室内，第一和第二反应物流的减压装置被布置为至少部分地被所述冷却液流体淹没。本发明专利技术还涉及一种用于发电机的启动和关闭的方法、一种用于检测燃料电池的淹没的方法以及一种用于检测发电机中气体泄漏的存在的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种针对缺乏网络供电时的备用而专门设计的燃料电池发电机，其中，多个燃料电池被堆叠为堆，以通过分别在燃料极(阳极)和氧化极(阴极)处被供应可燃气体和氧化气体来产生电。具体地，本专利技术涉及这样一种燃料电池发电机，该燃料电池发电机包括电化学转换模块(CEM)，CEM包括质子交换膜(PEM)类型的燃料电池和连接所有输入流体流和输出流体流的歧管体。
技术介绍
燃料电池是使用氢作为能量矢量的最具有技术前景的方案之一。燃料电池是能够利用电化学反应将化学能转换为电能的装置。在单个PEM电池中，分别在阳极和阴极同时发生两个半反应。PEM燃料电池的阳极和阴极由电解质分开，电解质通常由能够传导质子的磺化聚合体膜构成，磺化聚合体膜的相对侧涂覆有适合的催化混合物(例如，Pt基)的层。电解质一般充满离子传输液体(例如，水)，从而氢离子可从阳极穿过离子传输液体移动到阴极。在燃料电池中发生的整个反应为(1)2 + — 2H20该反应伴随着热和电能的生成，并且该反应是分别发生在阳极和在阴极的两个半反应之和的结果，其中，在阳极的半反应(2) 2H2 ^ 4H++4e"在阴极的半反应(3) 02+4H++4e" — 2H20随后，在阳极，提供在催化剂层内扩散的氢，分离为氢离子和电子，其中，电子不能透过所述膜，电子穿过外部电路向阴极移动，产生电流和相应的电势差。在阴极，提供包含氧的气体混合物，氧与已经移动穿过电解质的氢离子以及来自外部电路的电子反应。将反应气体加湿是必须的，这是因为质子穿过聚合体膜的迁移的发生要归功于水分子太低的湿度导致质子从阳极隔室到阴极隔室的迁移减少，结果燃料电池性能恶化，而太高的湿度可导致催化部位的阻塞，结果燃料电池性能劣化。由于定义好的电压与反应(1)关联，所以为了实现更高的电压，通常串联多个元件来形成堆。除了堆之外，针对缺乏网络供电时的备用而设计的燃料电池发电机包括液压回路(泵、管路、消散器等)、气流供给和排放回路(氢供给管路、氧供给管路等)、控制系统 (控制单元、温度计、流量计、压力计、致动器等)。在这里以及下面，参考构成燃料电池发电机的剩余部分的所有上述元件的全体作为BoP (即，“电站辅助设备”)。形成堆通道之间的液体地连接的所有元件的全体和燃料电池发电机的其他主要元件(例如，反应物的源)通常占用主要的空间，并很大程度上贡献了系统的总重量。此外， 它们的装配所需的时间体现了装配整个系统所需的时间的主要部分。而该装配时间直接影响燃料电池发电机的总成本。图1示出已知的燃料电池发电机的示图，其中，堆连接到多个管道，通过所述多个管道，反应物被供应给燃料电池并且反应产物被分离为两个流，一个流再循环到堆，而另一个流最后从系统排出。然而，(例如，根据US6541148) —些方案是已知的，其通过提供具有歧管体的燃料电池发电机而部分地解决了该缺点，其中，歧管体将交换流提供给堆，并且还包括位于歧管体自身中的分离器，以从所述流的至少一个中收集水，从而将总的笨重性降低到特定程度。此外，US6875535教导了提供这样的具有多个端口和流体通道的岐管，其中，该流体通道适于容纳用于监控流体条件的监控装置。这样的包括岐管体的布置可特别适于这样的系统，在该系统中，可通过将阳极和阴极的废气流的预定部分循环回堆，来将供应给燃料电池的反应物流的湿度保持在与所述发电机的适当操作兼容的期望的值的范围内。在此情况下，岐管体可包括混合室，在混合室中，干燥的新鲜反应物流与再循环的废气流混合，其中，再循环的废气流携带通过在燃料电池中发生的电化学反应产生的水的一部分。然而，在该布置中，湿度调节和控制由于多个因素而变得复杂。首先，供应给阳极和阴极隔室的新鲜的反应物在到达它们在岐管中的各自的混合室之前经历膨胀。结果，它们的温度经常降低到室温之下。结果，当这些干燥和冷的流在岐管体混合室中与湿的再循环的废气流混合时，它们的温度可导致废气流所携带的水的过冷凝，从而不期望地降低离开岐管体进入堆的流的最终湿度，从而该流会大干燥而不能保证燃料电池湿度与堆的正确操作兼容。因此，需要外部加湿装置，这不利地增加了 BoP的复杂度，并且影响其安装和日常维护所需的时间。此外，变量的数量越多，管理该发电机的操作的控制系统越复杂，这在增加成本和降低可靠性方面是不利的。第二，燃料电池堆不仅是液压回路的一部分(所述液压回路将气态反应物传送到燃料电池堆，并将废气流传送到阳极和阴极隔室的各个再循环环路和排泄器)，而且被整合在第二液压回路内，在第二液压回路中，冷却液流体流动以消除由热化学反应在堆中产生的热，随后使其经受另外的仍为冷却液的流、或者冷却装置(例如，散热器等)、或者它们的组合。在这一方面，与堆和冷却液有关的热流需要被彻底地控制和监控。因为冷却液流体实际上与堆元件直接接触，因此未受控制的增加其压力会在结构上损害燃料电池。结果， 冷却液流体压力通常不得不保持在预定安全值之下，特别是在当从堆消除热时预计其温度增加时。为此，需要提供用于冷却液的另外的膨胀容器。不利的是，这样的方案致使系统结构更加笨重，并且进一步复杂了早已脆弱的热整体平衡。而如上所述，这仍然对供应给堆的流的湿度具有影响。如能够从至此所描述的直接推断的那样，备用发电系统的已知实施例相对昂贵， 并且需要精确和细心的日常维护，以避免它们变得不可靠。值得想起的是，由于它们是备用系统(即，仅是针对偶尔介入来设计它们)，因此所有的运动部分(例如，泵、压缩机等)需要定期的和准确的控制，从而不会正好在发生紧急情况时发生故障。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种克服上述缺点的专门设计用于备用的燃料电池发电机，特别允许减少设备(Plant)和管理成本以及增加发电机的效率和可靠性，同时降低其笨重性。此外，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池发电机，其中，可实现堆冷却回路和反应物供给回路之间的更有效的热整合。本专利技术的目的还在于提供一种管理这样的基于燃料电池的备用发电机的操作的方法，其增加了在启动和关闭的关键阶段期间以及在正常工作条件下该发电机的总效率。根据本专利技术，为此提供一种在如在权利要求1中阐述的燃料电池发电机。更具体地，根据本专利技术，提供一种燃料电池发电机，包括燃料电池堆、用于向所述堆提供第一反应物流和第二反应物流的装置、以及岐管体，所述装置依次包括所述第一反应物流的减压装置和所述第二反应物流的减压装置，所述岐管体将所述第一反应物流和所述第二反应物流以及经由各自的冷却液环路的至少一个冷却液流体的流提供给所述堆。所述岐管体内部包括用于混合所述反应物流和相应的再循环的产物流的室，并且还包括冷却液流体膨胀室，在所述冷却液流体膨胀室内，所述第一反应物流和所述第二反应物流的所述减压装置被布置为至少部分地被所述冷却液流体淹没。此外，根据本专利技术，提供一种根据权利要求7所述的启动燃料电池发电机以满足用户的功率请求(UPR)的方法，所述方法包括(a)以下面的方式向所述用户并行提供辅助功率供给(APS)和从燃料电池获得的燃料电池功率供给(FCP)辅助功率供给和燃料电池功率供给之和基本等于所述用户的功率请求(UPR)；(b)获取与总的堆电压(Vs)相关的数据以及与堆中的每个单体电池的单独的电池电压(Vsc)相关的数据；(c)逐渐地增加所述燃料电池功率供给本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：皮耶尔保罗·彻奇，卢卡·梅坎特，安德烈·马索，达里奥·塞发，路易莎·鲍莱劳，乔治白·贾诺利奥，
申请(专利权)人：电能系统有限公司，
类型：发明
国别省市：
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