专利名称：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
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)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。
发明内容
本发明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，本发明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。本发明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。根据本发明，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，根据本发明，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，根据本发明，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(FCP)并减小所述辅助功率供给(APS)，使得辅助功率供给和燃料电池功率供给之和保持基本等于所述用户的功率请求(UPR)。根据本发明，仅当检测到所述获取的数据大于存储在存储单元中的各自的参考值(y0’ s和ν。, sc) 时，并且仅直到检测到所述燃料电池功率供给(FCP)等于所述用户的功率请求(UPR)为止， 执行增加所述燃料电池功率供给(FCP)的步骤(C)。此外，根据本发明的另一方面，提供一种根据权利要求10所述的关闭燃料电池发电机的方法，所述方法包括(a)中断向堆供应新鲜反应物；(b)测量堆温度；(c)冷却燃料电池堆；(d)将水排出燃料电池堆。根据本发明，所述步骤(C)和⑷同时执行，直到检测到堆温度小于存储在存储单元中的参考值。根据本发明的另一方面，提供一种根据权利要求13所述的检测燃料电池发电机中的燃料电池的淹没并相应恢复淹没的燃料电池的方法，所述方法包括
(a)获取燃料电池的堆中的每个燃料电池的单体电池电压数据；(b)计算平均单体电池电压(ASCV)和作为所述平均单体电池电压(ASCV)的预定百分比的阈值TVq;(c)将电池的单体电池电压与所述阈值TVtj进行比较；(d)如果所述单体电池电压小于所述阈值，则增加燃料电池的流动管道内的压力。根据本发明，通过(e)第一步骤和(f)第二步骤来执行所述步骤(d)，其中，(e)第一步骤增加朝向所述堆的再循环的废气的流；(f)第二步骤在所述第一步骤之后执行，通过对朝向所述堆的再循环的废气的流节流，来产生背向所述堆的废气的背压，在所述步骤(e)和(f)之间，重复步骤(C)，并且仅当所述单体电池电压仍然小于所述阈值时执行所述步骤(f)。根据本发明的另一方面，提供一种根据权利要求14的检查备用燃料电池发电机中气体泄漏的存在的方法，所述方法包括(i)执行泄漏测试过程持续预定时间、；(j)重复所述泄漏测试过程持续比、短的预定时间t2。根据本发明，在执行所述步骤(i)之后并且在执行所述步骤(j)之前，关闭所述发电机。
本发明的另外的特点和优点将通过下面结合附图的图画对其特定实施例进行的描述而显现，其中图1示出连接到已知的燃料电池发电机的堆的用于输入和输出流体的管路和管道的全体简化透视图；图2示出根据本发明实施例的经由岐管体连接到燃料电池发电机的电化学转换模块的用于输入和输出流体的管路和管道的全体的简化透视图；图3是根据本发明的燃料电池发电机的示意性表示，其中，示出反应物再循环环路以及冷却液环路；图4示出图3的燃料电池发电机的细节，该细节示出岐管体和堆如何彼此相对布置；图5是根据本发明的与燃料电池发电机的电化学转换模块一体化的岐管体的示意性表示；图6是根据本发明的燃料电池发电机的堆及其监控装置的侧视图；图7是示出根据本发明的泄漏测试过程的细节的流程图；图8是示出根据本发明的用于启动燃料电池发电机的方法的细节的流程图；图9是定性曲线图，其中，燃料电池归一化电压的参考值(实线)相对于归一化电流被绘制，并且与在发电机上直接测量的相应值(特性曲线，虚线)对比；图10是示出根据本发明的用于关闭燃料电池发电机的方法的细节的流程图。
具体实施例方式参照图3，使用1表示整体的备用发电机被设计为向用户8提供电能。发电机1包括电转换模块50而电转换模块50包括堆叠为堆5的多个PEM燃料电池、岐管体27和电池电压监控(CVM)装置39 (细节见图4)。发电机还设置有功率调节单元22，功率调节单元22 通过选择性地作用于开关来对向用户8的功率提供进行管理，从而用户8从发电机1或者从其他紧急电源(例如，电池、电容器等)接收功率。将在下面描述与由功率调节单元22 管理的操作模式有关的进一步的细节。理想配比过剩的氢流从供应装置2 (例如，由工业纯氢圆筒构成)被提供给发电机 1。通过阀装置3来开启氢的供给，阀装置3由可以手动操作或由控制单元(未示出)电控制的阀构成。此外，提供给堆5的氢流的压力被减压装置如(例如，由减压阀构成)调节 (细节见图幻。启动流的阀装置3和减压装置如被布置在相对于提供的氢流的流动方向的堆5的上游。在图3中使用11表示用于提供氧化气体的装置。对于在这里描述的备用发电机， 该用于提供氧化气体的装置11优选地由纯氧的充压源构成，例如，它们由充压圆筒构成。 氧从装置11汲取，并以理想配比过剩的方式被提供给堆5，类似于上面参照氢回路所描述的，通过合适的阀装置3来开启氧流，阀装置3由可以手动操作或由控制单元(未示出)电控制的阀构成。在相对于提供的氧流的流动方向的PEM燃料电池的堆5的上游，发电机1 还包括减压装置4c (例如，减压阀)，减压装置如也类似于用于氢流的以及上面描述的减压
直ο在提供给堆的氢流中，通过加湿装置来保持适于PEM燃料电池的正确操作的湿度，加湿装置由用于朝向堆5的PEM燃料电池的阳极隔室的过剩的氢流的第一预定部分的第一再循环泵9专门构成。第一再循环泵9被设置为操作，使得被再循环的过剩的氢流的所述第一部分表示进入堆5的氢流的预定部分，从而在相同的进入的氢流中保持适于堆的燃料电池的正确操作的湿度(例如，90-100%)。该第一再循环泵9被紧接布置在阳极再循环支路A上堆5的阳极隔室的上游。类似地，在提供给堆5的氧流中，通过加湿装置来保持适于PEM燃料电池的正确操作的湿度，加湿装置由用于朝向堆5的PEM燃料电池的阴极隔室的过剩的氧流的第一预定部分的第二再循环泵10专门构成。第二再循环泵10被设置为操作，使得被再循环的过剩的氧流的所述第一部分表示进入堆5的氧流的预定部分，从而在相同的进入的氧流中保持适于堆的PEM燃料电池的正确操作的湿度(例如，90-100%)。该第二再循环泵10被紧接布置在阴极再循环支路C上堆5的阴极隔室的上游。被再循环的存在于阳极隔室的氢的过剩的第一部分是进入堆5的氢流的至少 10%。类似地，被再循环的存在于阴极隔室的氧的过剩的第一部分是进入堆5的氧流的至少10%。阀装置14在阳极再循环支路A上被布置为与泵9串联，阀装置15在阴极再循环支路C上被布置为与泵10串联。这些阀装置可位于所述再循环泵的上游或下游。如将在下面进行描述的，在正常操作条件下，阀装置14和15应该打开，然而在特定的异常条件或测试条件下，它们被切换到“关闭”位置。此外，排除阀装置16和17分别在阳极再循环支路A上和阴极再循环支路C上被并联地布置。排除阀装置16和17适于分别从阳极隔室12和阴极隔室13排除没有再循环的过剩地提供给堆5的氢和氧化气体的各自部分。排除阀装置16和17可由手动操作或电控制的阀和/或设置有喷嘴的管道构成。此外，提供连接到岐管体27的排水器6和7，以分别从阳极回路和阴极回路去除过剩的水。排水器6和7被设计为可直接连接到岐管体27，以达到相对于本领域中的已知布置减小它们的尺寸的目的。来自源(供应装置)2的新鲜氢以及在支路A中流动的过剩的氢再循环部分被提供给各自的在岐管体27的入口观和四。类似地，来自源11的新鲜氧化气体以及在支路C 中流动的过剩的氧化气体再循环部分被提供给各自的在岐管体27的入口 30和31。岐管体27包括液体地连接到入口 28和四的阳极侧混合室23以及液体地连接到入口 30和31的阴极侧混合室对。混合室23具有液体地连接到堆5的阳极隔室的第一出口(未示出)以及液体地连接到阳极侧的冷凝室25的第二出口。混合室M具有液体地连接到堆5的阴极隔室的第一出口(未示出)以及液体地连接到阴极侧的冷凝室26的第二出口。冷凝室25和沈也被包括在岐管体27之内，它们的几何结构为使得在尺寸上大于 10 μ m的水簇通过旋风效应经由重力被去除。冷凝的水随后通过直接连接到岐管体27的排水器6和7被去除。在冷凝室25和沈中通过旋风效应实现的过剩的水的去除改善了再循环泵9和10的操作。存在于冷凝室25和沈的气体的第一部分通过再循环泵9和10经由支路A和C被再循环到堆，而剩余部分通过排除阀装置16和17被排除。由于在燃料电池发生的电化学反应是全局放热，所以这样产生的热必须从堆5被去除，以保持其工作温度在包括在50和80°C之间的最佳范围内(优选地，大约65°C)。结果，根据本发明的发电机1设置有初级冷却液环路36和次级冷却液环路37(见图3)。被泵18循环的在初级冷却液环路36中流动的冷却液流体与堆直接接触。当冷却液流体离开堆时，冷却液流体首先被发送到热交换器19，冷却液流体在热交换器19将热能让渡给在次级环路37中流动的冷却液流体。然后，泵18驱动冷却液流体返回堆5。在次级环路37中流动的冷却液从功率调节单元22以及从热交换器19中的初级冷却液流体收集热。随后，它被发送到散热器20，它在散热器20被冷却，散热器20可有利地设置有风扇。上面描述的岐管体27也可与初级冷却液环路36 —体化。为此，岐管体27有利地包括(见图幻冷却液流体膨胀室38，以补偿与冷却液流体温度增加相关联的冷却液流体压力的增加。结果，初级环路36内的冷却液流体压力总是保持在500mbar之下。优选地，初级环路内的冷却液压力总是保持在400mbar之下。为了可操作性，在岐管体27之内设置开口，用于向初级冷却液环路36填充冷却液。根据本发明的一方面，冷却液流体膨胀室38置于岐管体27之内，并且被特意设置，从而冷却液流体膨胀室38管理上述氢回路和氧化气体回路的减压装置^、4c。因此，提供用于供应给所述发电机的新鲜氧化气体的膨胀的热补偿。如上所详细描述的，突然的压力下降将导致氧化气体的温度下降至室温之下，结果，这将导致过多量的水冷凝，从而将堆内部的湿度改变为不希望的低的值。这可通过这样的方式来避免，即，通过在冷却液流体膨胀室38内部布置减压装置^、4c，从而将要离开岐管体的温暖的冷却液流体通过将热让渡给总是至少部分地浸没在冷却液中的减压装置^、4c来预加热干燥的反应物流。
换句话说，根据本发明的冷却液膨胀室38的设计和布置使得能够实现系统的热整合(thermal integration)的改善以及系统的笨重性的降低。不仅热交换有利地发生在减压装置^、4c与冷却液流体之间，从而避免再循环的气体所携带的水的不期望的冷凝， 并且减压装置被方便地容纳在岐管体之内，从而通过减小发电机1的整体尺寸来使得实现更好的空间利用。有利地，在冷却液膨胀室38中设置离子交换树脂以避免冷却液流体传导率的增加。岐管体27可由聚合材料制造。结果，岐管体自己可作为热绝缘体，从而能够与环境温度波动无关地更容易地控制冷凝现象。优选地，岐管体27由莫普纶等规聚丙烯纤维 (moplen)制造，莫普纶等规聚丙烯纤维的机械和物理特性(即，高熔点)总是与堆的操作条件兼容。金属表面的不存在保证了气态的反应物和冷却液流体均不会被金属颗粒污染。此外，由于通过铸造操作以彼此整合为一体的方式获得描述的所有液压元件以获得岐管体， 因此显著降低了成本(相对于金属管路甚至达到70% )。此外，作为与堆一体化的液压回路的连接元件的岐管体27的存在显著减少了用于装配所述发电机所需的时间(甚至80% )。 由于冷凝室与液体排泄器直接连接，所以泄漏的可能性也被显著降低，并且冰形成的可能性也显著降低。此外，设计了液体排泄器以使得排液器的尺寸最小化具体地，设计了该排泄器中的浮体，以使得在该排泄器中需要相当低的水位来使得开闭器打开。有利地，为了控制目的，在岐管体27中容纳测量输入和输出的流体的温度、压力和传导率的多个探测器。结果，探测器被布置为紧邻于堆，这允许相对于本领域先前使用的其他布置更快更精确的测量。此外，维护更容易。根据本发明，燃料电池发电机1还包括电池电压监控装置39，电池电压监控装置 39收集堆5的每个燃料电池的多个各自的电压数据。直接连接到堆的监控装置39由一组 ADC转换器模块构成，ADC转换器模块的数量可基于形成堆的燃料电池的数量来选择和调整。每个模块可适于扫描1至20个单体燃料电池电压数据。可使用每个规格为扫描16个单体燃料电池电压数据的ADC转换器模块。针对单个CVM同时用于所有燃料电池的情况，该布置允许关于针脚之间的距离的公差不用那么严格。一种布置，其中，每个模块需要多个电压数据，该电压数据等于软件的部分上的两个赞同的数据成立的功率。考虑到标准电子部件的通常较低的隔离电压，每个模块的最大电压小于16V，因此保护了 CVM部件。通过金属触点和弹簧的系统来确保每个单体燃料电池与监控装置39之间的电连接。在安装之前，所有这样的触点和弹簧经受表面处理，以避免会潜在地导致失效的电触点的氧化现象。监控装置39收集单体燃料电池的电压所需的时间为大约1ms。为了计算最小燃料电池电压、最大燃料电池电压、平均燃料电池电压、单体燃料电池电压的标准差，监控装置39设置有可编程的处理器(未示出)以执行数学运算。主要用于所述备用电源系统的有效管理的这些信息被传递给控制系统。电池电压监控装置39的每个模块能够扫描关于电池电压监控装置39所连接的燃料电池的所有电压数据，并且能够在50ms左右执行其管理和控制所需的相应数学运算。
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可通过进行切换或功率调节的装置的激活，选择性地或同时地通过堆5和通过例如由已知类型的电池60构成的辅助源(或者作为替代方案，通过以受控方式可放电的电容器)，来向电用户8供电，因此，所述进行切换或功率调节的装置作为表示用于通过电用户来命令取消来自堆和/或电力的辅助源的电力的装置。功率调节单元22包括一起工作的两个不同的模块DC/DC模块40，适于将堆电压稳定在适于电用户8的给定值(例如，用于电信领域中的备用应用的48V)；DC/AC模块41，作为具有线路交互UPS功能(级别1)的逆变器。因此，功率调节单元22的DC/DC模块40具有对称的体系结构，并且DC/DC模块40 能够根据下面定义的多个操作模式进行工作输出电压稳定樽式在电力的恒定和持续产牛期间，不管电用户需要什么电流,功率调节单元22都使输出电压保持恒定；输入电流稳定樽式该配置被应用于启动阶段期间(小于30秒期间)，以便不使堆过载；辅助能量源输入电流稳定樽式当辅助能量源经历深度放电时应用该配置，必须将输入电流限制为适于辅助能量源的最大输入电流值。DC/DC模块40具有较大输入电压范围的特性。标准DC/DC模块通常工作在 48V士20%，而DC/DC模块40被设计为与包括在37V和65V之间的电压范围可兼容。DC/AC模块41也可被设计为能够在三种不同的操作模式下工作电压产生当所述发电机作为岛发电机(island generator)和UPS工作时；连接到电网的电流产生；电池充电器校正当停电结束并且在所述发电机启动期间已经放电的辅助源必须再充电时。下面，将详细描述发电机1的不同操作阶段。1、启动1. 1泄漏测试基于备用燃料电池的发电机采用爆炸性气体，因此避免任何泄漏是极其重要的。为此，通过位于岐管体之内并且与具有已经预先关闭的入口阀3和排除阀6、7的管道直接连通的多个压力传感器42，来实施泄漏测试处理(图6)，泄漏测试处理主要包括跳过预定时间段测量压力值(从而评价压力梯度)。如果在该系统中没有出现泄漏，则阳极回路和阴极回路内部的压力应按照已知的方式逐渐降低到大气压力(参考压力梯度)。因此，通过引入(图6，块202)阳极回路和阴极回路中的各气体，同时关闭(块
203)上面描述的入口和排除阀，并跳过设置的时间段tQ(块20 获取压力值数据(块
204)，来执行泄漏测试过程。在设置的时间段tQ之后，再次获取压力(块206)。如果(决定块207)基于获取的数据计算的平均压力梯度(基本被评价为ΔΡ，即，跳过时间段、的总体压力变化)等于或大于所述参考梯度，则泄漏测试过程返回(块209)与系统中泄漏的不存在相关联的值，并且可进行启动过程。如果相反，该比较示出在系统中存在泄漏，则所述发电机操作被中断，并且需要技术介入(块208)。
该泄漏测试过程是发电机1的启动过程的一部分，现在将参照图7进行更详细的描述。由于短的启动时间是备用系统的主要目标之一，因此监控压力相对短的时间(例如， 10秒)，从而大的泄漏的可能存在被排除而不用引入太大的延迟。根据本发明的一方面，还执行作为关闭过程的一部分的非常相同的泄漏测试过程，将在下面进一步描述。在该阶段，监控压力长达60秒，从而即使非常小的泄漏的出现可也以被检测到。因此，即使轻微泄漏的不存在也可被确定。当在启动阶段期间确认大的泄漏的不存在目的在于确保所述发电机可以操作时，紧接着随后，一旦关闭所述发电机则用户的电源的备用源重复更精确的控制具有这样的优点确认当下一停电事故发生时将准备好安全有效地操作。1.2 “智能”启动管理最大的堆输出功率取决于几个因素，例如，堆温度、反应物混合物湿度、堆内部的液态水的存在等。在正常连续操作期间，所述系统适于控制这些参数，从而保证用于运行堆的最佳条件。然而，在备用应用中，不可能预测发电机启动条件，但是希望所述发电机能够既不是在短期也不是在长期而是在不导致系统损害的情况下在尽可能短的时间段内在任何温度和湿度条件下启动。为此，这里描述的系统遵循下面的启动过程，基于该启动过程，在堆的安全和正确操作的情况下以及在避免燃料电池中的结构损害的情况下，在那个时间以及在那些条件下，以近似最大可兼容值，瞬时地调整来自堆的功率的需求。实际上，堆被不正确地请求提供大于瞬时最大可兼容值的功率，所述发电机可能能够设法应允该请求，然而这将很可能导致在一个或多个燃料电池中局部过热(即，出现“热点”)，这会不能恢复地损害质子交换膜。当燃料电池通过提供接近最大值的电流而反应至对功率的过度请求时，发生局部温度增加，因此燃料电池的电压可能急剧降低至变为零或者甚至变为负的点。结果，备用发电机的效率和可靠性可能被不可挽回地损害，并且在下一停电事故它可能根本不能介入。根据本发明的启动方法，如在图8的流程图中所概述的，一旦上述泄漏测试过程已经完成(块101)，则与总的堆电压以及堆中的每个单体电池的各自的电池电压相关的数据被连续地获取(103)，并且与存储单元(未示出)中存储的各自的参考值Va 3和1,%进行比较(104)。在图9中，通过示例的方式提供比较的细节，其中，归一化电压的参考值相对于归一化电流被绘制，并且与在系统上测量的相应值(特性曲线)对比。考虑到确保合适的发电机操作，基于在额定条件(例如，温度=60_65°C，湿度 90-100% )下在堆的操作期间获取的数据，特意地选择在图9中作为参考曲线被绘制的作为归一化电流的函数的归一化电压的参考值。控制系统被编程，从而针对总的堆电压Vs和平均单体电池电压Vs。容许与各自的参考值Vas和Va s。存在预定百分比偏差(PPD)。为了最小化实现堆的额定工作电流(设置为180A)所需的时间，针对Vs，PDD可被设置为15%， 针对Vse，PDD可被设置为20%。如果由于PDD的原因堆的实际工作点低于相应的参考值，则停止燃料电池的需求减小(块105)，然而如果堆的实际工作点在相应的参考值以上，则在检查停止燃料电池是否为电用户8所请求的(决定块106)之前关闭燃料电池的需求将增加(块107)。只要该条件没有被确认，则关闭燃料电池的需求增加；当该条件最终被确认时，启动过程成功结束。到堆最终达到全功率为止(块108)，辅助能量源提供用于确保用户8的功率需求被完全满足所需的额外功率。当完成启动过程时，一旦全部的用户功率需求最终由燃料电池堆单独提供，则可请求堆提供用于对所述辅助电源(即，电池或电容器)再充电的补充量的功率，从而辅助电源也将被充满电，并且准备当再次发生需要备用发电机的介入时使用。2.操作期间的管理2. 1用于恢复被淹没的燃料电池堆的方法监控装置39通过获取与电压、温度、湿度相关的多个数据来监控每个单体电池的性能，并基于那些数据来计算最小电池电压以及单体电池电压分布。此外，在这些信息项的基础上，监控装置39调整在各个再循环回路上的泵9和10的速度。如果发现一个电池的单体电池电压小于被计算为所有单体电池电压的平均值的预定百分比(例如，所述均值的80%)的阈值TVtj，则该单体电池的淹没很可能已经发生。 当这样的不测事件发生时，控制系统进行响应，通过将再循环泵设置为最大速率来增加氧流和氢流，从而在反应物回路中的局部压力增加，并且堵塞的起因(如果存在)因此被机械地消除。如果单体燃料电池的情况没有因为这样的调整而改善，则应用恢复淹没的燃料电池的方法，将在下面进行描述。当电压电池监控装置检测到单体燃料电池电压的降低时，如上所述，控制系统开始用于恢复单体燃料电池的处理。燃料电池恢复过程包括这样的步骤通过将支路A中的阀装置14和支路C中的阀装置15分别关闭非常短的时间段(例如，小于1秒)，来增加堆5的燃料电池的内部通道的内部压力。如果在一个单个回路(阳极或阴极)上实施该恢复方法，则为了避免所述膜破裂， 在压差达到预定最大值时打开阀装置(14或15，取决于涉及的回路)。所述预定最大值可被设置为500mbar，优选地为400mbar。当电池电压降低到第一预定值(例如，450mv)时，堆临时与用户断开，随后用户由备选的电源(例如，电池)服务，直到再次建立到堆的连接为止。如果电池电压降低至低于第一预定值的第二预定值(例如，300mv)，则输出报警信号，并且中止所述发电机的操作。2. 2堆温度控制发电机1包括适于通过改变风扇20的角速度来控制燃料电池堆的温度的控制系统(未示出)。风扇的角速度作为测量的燃料电池堆温度和温度参考值TMf之间的函数而增加或减小。为此，多个温度传感器位于岐管体中。3、关闭如上所解释的，燃料电池中的液体水的存在会对燃料电池本身造成几个损害，从而引起备用发电机的总效率的降低。在该方面，最关键的步骤之一时关闭备用发电机，这是因为系统中的温度降低，气体不再流入堆燃料电池，蒸汽会在堆中冷凝，因此燃料电池内的流场通道(即，反应物和产物流入堆5的燃料电池内部的通道)被堵塞。为了避免该不期望的情况，实施下面的关闭过程，将在下面参照图10进行描述。一旦成功完成了上面描述的延长的泄漏测试过程(块301)，则通过将阀装置3切换(块30 到各个“关闭”位置来中断进入的气体的流。新鲜的反应物不再被提供给发电机，因此只有在切换时间处于堆内部的气体保留而被消耗。由于用户不再电连接到发电机 1，所以为了消耗在切换时间仍然在堆的内部的气体，提供电阻器，该电阻器在正常操作条
13件下不电连接到到堆而在该情况下电连接到堆。此外，再循环泵9和10保持开启，为了帮助通过排除阀装置16和17排除水，再循环泵9和10保持打开。如果通过位于岐管体27内的探测器测量的堆5的温度大于预设值TJ决定块 303)，则冷却液环路(18和21)的泵以及散热风扇20被开启。只要温度降低它们就保持开启，直到达到预设值Ttl (块305)。预设值Ttl可基于环境条件而改变，然而它通常在20°C和35°C之间。优选地，Ttl被设置为27V。当达到预设温度值时，如块306所示，排除阀装置16和17关闭，再循环泵9和10 连同冷气液环路(18和21)的泵以及散热风扇0 —起被关闭。因此，用于关闭备用燃料电池发电机的方法包括这样的步骤通过加强气态流的循环(泵9和10保持开启)以促进朝向也保持打开的排泄器(排除阀装置16和17)的水的排量，同时也保持第一冷却液和第二冷却液在它们各自的管路中的流动(泵18和21保持开启)，来同时冷却系统和排除水。因此，由于只要温度保持在设置的值(安全地在水冷凝点以上)以上就继续执行整个操作，因此系统在水可能恰好冷凝之前最大化水的去除。该过程有利地保护管道免受水的影响，因此确保在下一停电事故时，淹没的不测事件被排除，新鲜的气态反应物将能够沿着完全自由的通道流动。待机检杳备用应用的特性在于非常高的可靠性以及与待机时间相比较短的操作时间。结果，为了检查发电机的可靠性，控制系统按预设周期(例如，每周、每月或者每六个月)执行自诊断测试。实施三种类型的测试辅助测试每个辅助部件(泵、风扇、电子阀等)被选择性地开启，通过位于岐管体的传感器来检查它们的性能。燃料电池堆测试在该测试期间，关闭燃料电池堆需要最小的功率，通过控制系统检查正确的启动和单体电池性能。发电机测试模拟停电事故，从而发电机必须开启。停电持续堆达到额定条件所需要的时间段。如果这些测试中的任意一个失败，则需要技术支持。根据本发明的发电机相对于本领域已知的方案具有多个优点，S卩，具体地，系统的总体尺寸和重量显著降低不仅是发电机不包括笨重的辅助装置(例如，鼓风机或专设的加湿装置)，并且在发电机的功率和效率不变的情况下，这里描述的岐管体的几何结构和功能性进一步减低的发电机的笨重性。根据本发明的发电机与已知发电机的直接比较可基于图1和图2的图进行。作为这里描述的岐管体的结构和功能的结果，实现了系统的更加简化的制造、功率和维护；此外，减少了启动时间。
权利要求
1.一种燃料电池发电机(1)，包括燃料电池堆(5)、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(XT)，所述装置依次包括所述第一反应物流的减压装置Ga)和所述第二反应物流的减压装置( )，所述岐管体(Xi)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(36)的至少一个冷却液流体的流提供给所述堆，所述岐管体(XT)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，其特征在于所述岐管体(XT)还包括冷却液流体膨胀室(38)，在所述冷却液流体膨胀室内，所述第一反应物流的减压装置Ga)和所述第二反应物流的减压装置Ge)被布置为至少部分地被所述冷却液流体淹没。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述岐管体(XT)包括第一混合室 (23)，液体地连接到第一冷凝室0 ；第二混合室(M)，经由燃料电池堆( 液体地连接到第二冷凝室(沈)，所述第一冷凝室和所述第二冷凝室液体地连接到所述堆(5)。
3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一冷凝室和所述第二冷凝室被设计为通过旋风效应并通过重力分别移除从所述第一反应物流和所述第二反应物流冷凝的水颗粒。
4.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述岐管体(XT)还包括第一排水器 (6)和第二排水器(7)，第一排水器和第二排水器分别液体地连接到所述第一冷凝室05) 和所述第二冷凝室06)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机，其特征在于，所述冷却液流体膨胀室 (38)包含离子交换树脂。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的发电机，其特征在于，所述岐管体(XT)设置有多个探测器，所述探测器适于测量反应物流、产物流和冷却液流体的流的相应的多个参数， 所述发电机(1)还包括电压监控装置(39)，电压监控装置适于获取与作为一个整体的所述堆( 相关的电压数据以及与所述堆(5)中的单体燃料电池相关的电压数据。
7.一种启动燃料电池发电机以满足用户的功率请求(UPR)的方法，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(FCP)并减小所述辅助功率供给(APS)，使得辅助功率供给和燃料电池功率供给之和保持基本等于所述用户的功率请求(UPR)；其特征在于仅当检测到所述获取的数据大于存储在存储单元中的各自的参考值(Vas和Va s。)时， 并且仅直到检测到所述燃料电池功率供给(FCP)等于所述用户的功率请求(UP 为止，执行增加所述燃料电池功率供给(FCP)的步骤(C)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当检测到所述获取的数据小于存储在存储单元中的各自的参考值Vas和Vas。时，减小所述燃料电池功率供给(FCP)，并相应增加所述辅助功率供给(APS)。
9.根据权利要求6和7所述的方法，其特征在于，存储在存储单元中的所述参考值Vas和\’sc与避免局部过热和/或燃料电池的淹没的堆操作条件对应。
10.一种关闭燃料电池发电机的方法，包括(a)中断向堆供应新鲜反应物；(b)测量堆温度；(c)冷却燃料电池堆；(d)将水排出燃料电池堆； 其特征在于所述步骤(c)和(d)同时执行，直到检测到堆温度小于存储在存储单元中的参考值。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)包括(e)将燃料电池堆连接到电阻器；(f)将废气再循环到燃料电池堆。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括(g)使冷却液流体循环经过燃料电池堆，从而去除热；(h)使得冷却液流体将去除的热让渡给至少第一热去除装置。
13.—种检测燃料电池发电机中的燃料电池的淹没并相应恢复淹没的燃料电池的方法，包括(a)获取燃料电池的堆中的每个燃料电池的单体电池电压数据；(b)计算平均单体电池电压(ASCV)和作为所述平均单体电池电压(ASCV)的预定百分比的阈值TV0 ；(c)将电池的单体电池电压与所述阈值TVtj进行比较；(d)如果所述单体电池电压小于所述阈值，则增加燃料电池的流动管道内的压力， 其特征在于通过(e)第一步骤和(f)第二步骤来执行所述步骤(d)，其中，(e)第一步骤增加朝向所述堆的再循环的废气的流；(f)第二步骤在所述第一步骤之后执行，通过对朝向所述堆的再循环的废气的流节流，来产生背向所述堆的废气的背压，在所述步骤(e)和(f)之间，重复步骤(c)，并且仅当所述单体电池电压仍然小于所述阈值时执行所述步骤(f)。
14.一种检查备用燃料电池发电机中气体泄漏的存在的方法，包括(i)执行泄漏测试过程持续预定时间、；(j)重复所述泄漏测试过程持续比、短的预定时间t2 ； 其特征在于，在执行所述步骤(i)之后并且在执行所述步骤(j)之前，关闭所述发电机。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据权利要求10所述的方法来关闭所述发电机。
全文摘要
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。根据本发明，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。
文档编号H01M8/04GK102405548SQ201080016427
公开日2012年4月4日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月12日
发明者乔治白·贾诺利奥, 卢卡·梅坎特, 安德烈·马索, 皮耶尔保罗·彻奇, 路易莎·鲍莱劳, 达里奥·塞发 申请人:电能系统有限公司