[发明专利]包括紧凑歧管体的备用燃料电池发电机及管理其操作的方法

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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)2H₂+O₂→2H₂O

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)O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

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)一些方案是已知的，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。