控制和最大化燃料电池的电效率和功率输出的方法
【专利摘要】本发明涉及一种控制燃料电池的方法，该方法包括下列步骤：通过检查和调整沿总的电极有效表面的试剂的稀释梯度即在电极有效表面的不同部分中试剂稀释度的变化，并通过检查和/或调整在燃料电池中每单位的电极有效表面所产生的局部电流密度，来控制燃料电池电效率。
【专利说明】控制和最大化燃料电池的电效率和功率输出的方法
发明领域
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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 ofScientific Instruments)的 78 卷和 8 卷中发表的论文 “Efficiency measurement anduncertainty discussion of an electric engine powered by a self-breathing andself-humidified proton exchange membrane fuel cell”中不出的那样，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)。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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”。
[0009]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闻可能电流密度。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]发明概述
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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%。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]本发明的另一目的是提供一种能快速控制电效率的燃料电池。
[0022]本发明的另一目的是提供一种适于获得高电效率的燃料电池。
[0023]本发明的另一目的是提供一种最大化燃料电池的电效率和功率输出的燃料电池。
[0024]根据本发明的第一方面，提供一种控制燃料电池的方法，该方法包括下列控制燃料电池电效率的步骤:
[0025]检查和调整试剂沿总电极有效表面的稀释梯度即在电极有效表面的不同部分中试剂稀释的变化；以及
[0026]检查和/或调整对于每单位的电极有效表面该燃料电池中产生的局部电流密度。
[0027]较为有利地，根据本发明的控制燃料电池的方法包括下列步骤:
[0028]在预定的工作压力下，确定每单位有效表面积的电效率曲线，它因变于对于每单位有效表面积在该燃料电池中产生的局部电流密度；
[0029]建立要求的电效率值，由此根据电效率曲线确定适当的电流密度；以及
[0030]在燃料电池中产生等于或低于所述适当的局部电流密度的局部电流密度值。
[0031]更为有利地，该方法包括下列步骤:
[0032]在预定的工作压力下，确定每单位有效表面积的电功率输出曲线，它因变于对于每单位有效表面积在该燃料电池中产生的局部电流密度，
[0033]确定有效表面的总量；
[0034]建立要求的电功率输出值，由此根据电效率曲线和电功率输出曲线确定电效率和局部电流密度。
[0035]甚为有利地，假设沿用于向燃料电池中发生的反应提供燃料的至少一种试剂的总馈给通道的稀释梯度被检查或调整，则在至少一种试剂的局部稀释值的基础上建立局部电流密度。
[0036]优选地，通过加/减或者已存在或者在之前或同时被馈送至所述燃料电池的阴极和/或阳极区的试剂或稀释剂增加或减少局部电流密度，由此减少或增加电效率。
[0037]根据本发明的另一方面，提供一种评估燃料电池的电效率的方法，该方法包括下列步骤:
[0038]配置一电路，该电路包括燃料电池和电连接于该燃料电池的电阻器；
[0039]向该电路提供具有已知稀释度的试剂并提供沿总电极有效表面确定的稀释梯度；
[0040]评估被提供以具有已知稀释度的试剂的燃料电池的基准电效率；
[0041]评估该电阻器两侧的基准电压降；
[0042]改变至少一种试剂的稀释；
[0043]改变电阻器的电阻，直到获得等于基准电压降的电阻器两侧的电压降为止；以及
[0044]在燃料电池的基准电效率的基础上、在改变至少一种试剂的稀释度之前和之后被馈送至燃料电池的试剂的稀释度的基础上以及在改变电阻器的电阻之前和之后该电阻器的电阻之比的基础上，评估燃料电池的电效率。
[0045]根据本发明的又一方面，提供一种评估燃料电池的电效率的方法，该方法包括下列步骤:
[0046]配置要确定其电效率的第一燃料电池，使其电连接于已知电阻值的第一电阻器，由此获得第一电路；
[0047]配置第二电路，该第二电路包括与第一燃料电池相似的第二燃料电池以及与第二燃料电池电连接的第二电阻器；
[0048]向第一和第二电路提供具有已知稀释度的试剂，并提供沿总电极有效表面确定的稀释梯度；
[0049]在其相应的试剂稀释度的基础上评估第二燃料电池的电效率；
[0050]评估跨第一和第二电路的电阻器的电压降；
[0051]将第二电阻器(R1)保持在预定值并改变第一电阻器(Ra)，直到获得跨第一和第二电路的电阻器的相同电压降为止，由此确定第一电阻器值；以及
[0052]在第二燃料电池的电效率的基础上、在被馈送至燃料电池的试剂的稀释度的基础上以及在第一电阻器值与第二预定电阻器值之比的基础上，评估第一燃料电池的电效率。
[0053]根据本发明的又一方面，提供一种适于获得电功率输出的燃料电池，包括:
[0054]外壳，其中在阴极空间和阳极空间之间限定一中间空间；
[0055]位于中间空间内的至少一种电解质材料；
[0056]在阴极空间处电连接至所述电解质材料末端的正电极；[0057]在阳极空间处电连接至所述电解质材料末端的负电极；
[0058]与阴极空间流体连通的氧化剂入口混合物；以及
[0059]与阳极空间流体连通的还原性入口混合物，该燃料电池包括:
[0060]检查和调整试剂沿总电极有效表面的稀释梯度一即在电极有效表面的不同部分中试剂稀释度的变化——的装置；以及
[0061]燃料电池的电效率的控制装置，其包括适于检查和/或调整对于每单位有效表面积在燃料电池中产生的电流密度的装置。
[0062]较为有利地，所述适于检查电流密度的装置包括适于检查燃料电池的试剂的稀释度值的装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0063]本发明的又一些方面和优势是参照附图通过本发明的具体实施例的下列说明予以详述的，在附图中:
[0064]图1示出与燃料电池的电功率输出曲线和电效率曲线关联的图，这些曲线因变于入口氧化物混合物的稀释参数\ (在20°C温度下和I大气压的压力下纯氧和用作稀释剂的纯氮之间的体积之比)。
[0065]图2示出与聚合物电解质燃料电池电功率输出曲线关联的图，该曲线因变于入口氧化物混合物的稀释参数、(在20°C温度下和I大气压的压力下纯氧和用作稀释剂的纯氮之间的体积之比)。
[0066]图3示出与聚合物电解质燃料电池的电效率曲线关联的图，该曲线因变于在20°C的温度和I大气压的压力下具有纯氮的入口氧化物混合物中的氧浓度；以及
[0067]图4-7示意地示出根据本发明的方法和相应的燃料电池。
[0068]在这些附图中，等效或相似的部件或组件被标记以相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0069]本申请中执行和报告的实验性调查显示，已构思出另一控制燃料电池的输出功率和电效率的方法，它就方法和考虑的结果而言不同于前面两种描述的方法。该方法基于一些局部工作参数的控制，这些局部工作参数例如局部电流密度和沿总电极有效表面的试剂的局部稀释度以及沿总的试剂馈给通道的试剂的稀释梯度即电极有效表面的不同部分中试剂稀释度的变化。
[0070]根据本发明的方法基于寻找存在于对于每单位电极有效表面在该燃料电池的电极上所产生的局部电流强度(通过沿总电极有效表面的试剂的局部稀释参数而确定，假设沿总馈给通道的试剂混合物的稀释梯度被控制和调整)和燃料电池的电效率之间存在严格的关联。这种关联由燃料电池的固有特征提示，例如燃料电池架构、电解质、催化剂以及燃料电池中发生的反应的热力学，即与所使用的技术无关。更具体地，相同的关联显然是由于燃料电池的固有电子特征和发生在其中的反应的固有特征之间的相互作用而导致的。
[0071] 申请人:的研究结果表明:
[0072]与2009年8月4日在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 enginepowered by a self-breathing and self-humidified proton exchange membrane fuelcell”中描述的方法不同，根据本方法某些一般工作参数(例如在燃料电池的电极上产生的平均表面电流密度)通过随时间地改变有效电极表面的量或等效地随时间改变试剂的馈给流的流速而得到动态地控制。
[0073]通过动态地控制诸如沿燃料电池的总有效电极表面产生的局部电流密度的局部工作参数，给定试剂混合物的入口和出口流速比(分层比)，并随后控制和调整沿总有效电极表面的试剂混合物的稀释梯度，可控制燃料电池的电效率。
[0074]优选地，局部工作参数被设计成包括试剂混合物的稀释参数，假设试剂混合物的局部稀释梯度沿燃料电池的总有效电极表面受到控制或调整，并优选地保持为尽可能接近
零。
[0075]从电子角度看，燃料电池可被视为具有并联电容器的电流源，该电容器的电容是通过所牵涉到的具体燃料电池的技术特征来确定的。由于所牵涉到的电化学反应的动力学，产生与电化学反应的局部速率成比例的电化学噪声，这导致在电容器板上获得电噪声，该电噪声具有与在每单位有源电机表面上产生的局部电流密度成比例的频率和振幅。所产生的局部电流密度越高，阴极过电压和电容器上通过焦耳效应而耗散的电能就越高，这造成燃料电池中的温度升高并因此造成电效率的降低。
[0076]2009年8月4日的U.S专利7，569，293B1中描述的工艺能通过入口试剂流速的变化来控制由燃料电池产生的平均电流密度(即如比率<I>=I/A定义的那样，其中I是在短路至电池的电阻中流动的电流，而A是总电极表面)。如业内已知的那样，沿有效电极表面的试剂的耗散直接与电化学反应的局部强度成比例，该局部强度则与电极有效表面附近的局部可获得量成比例。这使得沿电极表面的混合物中的试剂浓度的指数衰减，由此诱使在反应中涉及的有效电极表面和沿总电极表面的试剂的稀释梯度的变化。从这种意义上说，试剂入口流速的变化，如US-7，569，293B1中描述的那样，对应于电极有效表面的变化。
[0077]参照这个过程，本申请中描述的方法能沿总电极有效表面将局部产生的电流密度控制和维持在恒定值(这被定义为l*=dl/dA，其中dl是在电极表面元dA上产生的电流，例
如
【权利要求】
1.一种控制燃料电池的方法，其特征在于，所述方法包括控制燃料电池电效率的步骤: 检查和调整沿总的电极有效表面的试剂的稀释梯度即在电极有效表面的不同部分中试剂稀释度的变化；以及 检查和/或调整在燃料电池中每单位电极有效表面所产生的局部电流密度。
2.如权利要求1所述的控制燃料电池的方法，其特征在于，在检查和调整沿总的电极有效表面的试剂的稀释梯度的步骤中，所述稀释梯度被保持为尽可能地接近零。
3.如权利要求1或2所述的控制燃料电池的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤: 在预定的工作压力下确定每单位有效表面积的电效率(EEC(Pc^Pked))曲线，所述曲线因变于在燃料电池中每单位电极有效表面积所产生的局部电流密度； 建立要求的电效率值，由此根据电效率曲线确定适当的局部电流密度；以及 在燃料电池中产生等于或低于所述适当的局部电流密度的局部电流密度值。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤: 在预定的工作压力下确定每单位有效表面积的电功率输出曲线(EPC(Pcix^ked))，所述曲线因变于在燃料电池中每单位电极有效表面积所产生的局部电流密度； 确定有效表面的总量； 建立要求的电功率输出值，由此根据电效率曲线(EEC(Pc^Pked))和电功率输出曲线(EPC (Pox; Peed))确定电效率和局部电流密度。
5.如前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于: 所述局部电流密度是在用来向燃料电池中发生的反应供给燃料的至少一种试剂的局部稀释值的基础上建立的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤: 检查用于向燃料电池内将要发生的反应提供燃料的氧化剂和/或还原性试剂的稀释度； 将检查的稀释度与所述要求的稀释值进行比较；以及 如果检查的稀释度高于或低于要求的最大稀释值，则可控制地增加或减少氧化剂和/或还原性试剂的稀释度。
7.如前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过加/减或者已存在或者在之前或同时被馈送至所述燃料电池的阴极和/或阳极区的试剂或稀释剂，来增加或减少局部电流密度，由此减少或增加电效率。
8.如前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括评估用于描述在燃料电池的整个工作寿命中所述燃料电池需要的时变供电的负载曲线(LC)的步骤。
9.如前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括改变燃料电池的反应中所涉及的有效表面积的总量由此确保燃料电池的要求供电的步骤。
10.如前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤: 将包括试剂和稀释剂的入口混合物馈给到燃料电池的有效表面上，并当所述试剂的浓度低于预定限值时将其排出， 所述稀释剂是不参与燃料电池中发生的主要氧化还原反应的化学物质，而所述试剂是参与燃料电池中发生的主要氧化还原反应的，并且燃料电池包括其中发生主要氧化还原反应的至少一个反应腔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括预先安排并混合多种原料混合物由此获得所述入口混合物的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述原料混合物的试剂和稀释剂的浓度是已知的，而所述入口混合物是通过以用于馈给入口混合物的适当的比例来混合可用的原料混合物来预备的，在所述入口混合物中，试剂和稀释剂处于要求的当量比。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述原料混合物的浓度是已知的，并且在所述燃料电池的反应腔内直接执行稀释步骤。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，稀释剂混合物在压力下被注入到燃料电池的反应腔内，并且以相对于试剂消耗速率而调整的馈给流速来给所述燃料电池馈给包含所述试剂的混合物，由此在燃料电池的反应腔内维持试剂的恒定稀释度。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，原料混合物的浓度是已知的，并且其稀释值等于或低于所述最大稀释值的入口混合物是通过从原料混合物中除去试剂和/或稀释剂而预备的，所述除去试剂和/或稀释剂的步骤是通过物理或化学方法在燃料电池的反应腔外执行的。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述原料混合物的浓度是已知的，并且稀释值等于或低于所述最大稀释值的入口混合物是通过从原料混合物中除去试剂和/或稀释剂而预备的，所述除去试剂和/或稀释剂的步骤是通过物理或化学方法在燃料电池的反应腔内执行的。
17.如前面任何一项权利要求所述的方法，其特征在于: 所述局部电流密度是在气体扩散层的渗透率、电极的导电性或电解质浓度的基础上建立或调整的。
18.—种评估燃料电池的电效率的方法，所述方法包括下列步骤: 配置一电路，所述电路包括燃料电池和电连接于所述燃料电池的电阻器； 向所述电路提供具有已知稀释度的试剂并且沿总的电极有效面积具有确定的稀释梯度； 评估被提供以具有已知稀释度的所述试剂的燃料电池的基准电效率； 评估电阻器两侧的基准电压降； 改变至少一种试剂的稀释度； 改变电阻器的电阻，直到获得等于基准电压降的电阻器两侧的电压降为止；以及 在燃料电池的基准电效率的基础上、在改变至少一种试剂的稀释度之前和之后被馈送至燃料电池的试剂的稀释度的基础上以及在改变电阻器的电阻之前和之后的电阻器电阻之比的基础上，评估燃料电池 的电效率。
19.一种评估燃料电池的电效率的方法，所述方法包括下列步骤: 配置要确定其电效率的第一燃料电池，使其电连接于已知电阻值的第一电阻器，由此获得第一电路； 配置第二电路，所述第二电路包括与第一燃料电池相似的第二燃料电池以及与第二燃料电池电连接的第二电阻器；为所述第一和第二电路提供具有已知稀释度的试剂以及沿总的电极有效表面的确定的稀释梯度； 在其相应的试剂稀释度的基础上评估第二燃料电池的电效率； 评估跨第一和第二电路的电阻器的电压降； 将第二电阻器(R1)保持在预定值并改变第一电阻器(Ra)，直到获得跨第一和第二电路的电阻器的相同电压降为止，由此确定第一电阻器值；以及 在第二燃料电池的电效率的基础上、在被馈给至燃料电池的试剂的稀释度的基础上以及在第一电阻器值与第二预定电阻器值之比的基础上，评估第一燃料电池的电效率。
20.一种适于获得电功率输出的燃料电池，包括: 外壳，其中在阴极空间和阳极空间之间限定一中间空间； 位于所述中间空间内的至少一种电解质材料； 在阴极空间(3)电连接至所述电解质材料的末端的正电极(5)； 在阳极空间(4)电连接至所述电解质材料的末端的负电极(6)； 与所述阴极空间(3)流体连通的氧化剂入口混合物；以及 与所述阳极空间(4)流体连通的还原性入口混合物，其特征在于，其包括: 用于检查和调整沿整个电极有效表面的试剂的稀释梯度即在电极有效表面的不同部分中试剂稀释度的变化的装置；以及 所述燃料电池的电效率的控制装置，其包括适于检查和/或调整在燃料电池中每单位有效表面积所产生的电流密度的装置。
21.如权利要求20所述的燃料单元，其特征在于，所述用于检查和调整沿总的电极有效表面的试剂的稀释梯度的装置包括适于使沿总的电极有效表面的试剂的稀释梯度即在电极有效表面的不同部分中试剂稀释度的变化维持恒定和维持在零的装置。
22.如权利要求20或21所述的燃料电池，其特征在于，所述适于检查电流密度的装置包括适于检查燃料电池的试剂的稀释值的装置。
23.如权利要求20、21或22所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括:用于检查向所述燃料电池内将要发生的反应提供燃料所使用的氧化剂和/或还原性试剂的稀释度的装置；用于将所检查的稀释度与要求的最大稀释值进行比较的装置；以及用于可控制地增加或减少所述试剂的稀释度由此减少或增加所述燃料电池的电效率的装置。
24.如前面权利要求20-23中任何一项所述的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括用于改变电效率的装置，所述用于改变电效率的装置包括用于增加或减少电流密度的装置。
25.如权利要求24所述的燃料电池，其特征在于，所述用于增加或减少电流密度的装置包括用于加或减业已存在于或在之前馈入或同时馈入所述燃料电池的阴极和/或阳极区的试剂或稀释剂的装置。
26.如权利要求20-25中任何一项所述的燃料电池，其特征在于，用于调整沿总的电极有效表面的试剂的稀释梯度的装置包括混合器(9)，所述混合器(9)位于阴极和/或阳极空间内并适于将氧化剂和/或还原性混合物各自维持在要求的紊流运动状态。
【文档编号】H01M8/04GK103650225SQ201280033926
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年5月19日
【发明者】斯特法诺·卡沃利 申请人:斯特法诺·卡沃利