用于在变化负载和零下温度的情况下稳定直接甲醇燃料电池的操作的方法和系统技术方案

提供了用于在大范围的电气负载内以及没有外部负载的情况下通过提高的灵活性操作直接甲醇燃料电池（DMFC）系统的方法和系统。通过这些方法和系统，燃料电池以完全受控的方式在非关断状态下以低功率进行操作，因此允许燃料电池耐严寒条件并且保持最佳的辅助电池容量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在变化负载和零下温度的情况下稳定直接甲醇燃料电池的操作的方法和系统本专利申请要求于2011年I月28日提交的美国临时申请序列号61/437，230的优先权，其内容通过引用被整体包含在此。
本专利技术应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)的操作和控制。本专利技术允许DMFC系统在大范围的电气负载内以及没有外部负载的情况下通过提高的灵活性进行操作。使用本专利技术。燃料电池以完全受控的方式在非关断状态下以低功率进行操作，因此允许燃料电池耐严寒条件并且保持最佳的辅助电池容量。
技术介绍
通常，DMFC燃料电池被设计为以与传输至所连接负载的电荷相对应的特定空气和燃料流动进行操作。在静态以及便携式的电力应用中，需要燃料电池设备在变化的时间周期内且以不同的负载水平进行操作，并且经受频繁的启动和关断循环。在正常操作中，燃料电池堆被设计为以预定功率进行最优且有效地操作。操作条件在正常情况下被调整为正常功率输出，并且燃料电池堆在低功率极值或接近关断条件并非最优地进行操作。低功率操作特有的结果是相对损失由于甲醇燃料的穿透(cross over)扩散而有所增加。休眠的燃料电池中的穿透扩散的有害影响及其对于从休眠阶段重新启动的不利影响由Odgaard描述(所公开的美国申请2010/0310954)。在特定甲醇浓度下，由于混合物水分的部分冻结会导致膜电极组件(MEA)的腐蚀以及重新启动时的局部过热。Odgaard (所公开的美国申请2010/0310954)教导了在电池关断时对其使用防冻添加物以便缓解这些启动问题。在DMFC实现平衡且稳定的操作模式的困难涉及到对单个电池以及作为整体的堆中的甲醇浓度进行准确量化。Odgaard和Yde-Andersen已经描述了 一种在操作DMFC系统中经由电化学阻抗谱(EIS)监视并控制甲醇浓度的外部非入侵式系统和方法(所公开的美国申请2009/0269625)。该方法在整个操作期间没有中断或具有最少中断地评估电池的操作条件尤其是甲醇浓度。从交变电流响应测量所获得的结果可选地通过直接电压测量技术进行组合或补充。应用该测量技术以便通过向燃料舱添加纯甲醇或纯水来控制并调节电池中的甲醇浓度。燃料电池效率的保持取决于保持膜的阳极侧上的燃料舱中的甲醇的正确浓度，减少不必要的损失并对其进行补偿的能力，而且取决于电池中低的内部电阻。通过电解质膜的甲醇扩散导致了被称作燃料穿透(cross-over)的现象。到达阴极的甲醇浪费地与氧气进行反应而并不产生电子，因此电子并不贯穿外部电路且不能提供有用的电能。这种情形在阳极燃料舱中的甲醇浓度升高时加剧，这是因为高甲醇浓度是甲醇通过膜进行扩散的驱动力。另一方面，保持电化学反应速率取决于充足的甲醇供应。甲醇浓度的剥蚀导致减少的电力产生。在DMFC堆中，燃料通过堆进行循环并且所倒空的燃料被返回至燃料舱。由于部分甲醇被电化学反应所使用，所以舱中的甲醇浓度降低。结果，除非甲醇浓度得以保持，否则个体电池和整个堆的阻抗将会改变。甲醇浓度在水损失时增加由此使得阻抗增加。因此，期望对燃料电池中的甲醇浓度进行控制以便优化DMFC堆的效率并且保持输出。通过测量甲醇浓度并且对甲醇消耗进行补偿能够实现令人满意的控制。燃料的消耗可以基于所传输的电荷进行计算。通过添加作为稀释剂的水或者添加作为浓缩液或纯物质的乙醇能够将甲醇浓度保持在指定水平。水和甲醇能够从燃料箱蒸发，因此影响到甲醇浓度。这些浓度变化可能是重大的并且会导致大幅偏离理想乙醇浓度。然而，难以在低功率保持稳定操作，并且堆的性能在低功率水平是不可靠的，这使得不可能在可变的功率水平对DMFC燃料电池进行操作。已经针对在标称全功率输出进行操作或者可替换地针对完全关断进行了正常的实践。除了在降低的功率输出进行操作的问题之外，在接近并建立关断状态时有必要对电池进行保护防止甲醇燃料浓度的瞬变以及甲醇通过电解质膜的扩散。在关断时进行调适以及在恢复操作时随后确定电池和堆的条件，并且因此易于重新开始正常操作。通过关闭空气泵而停止向DMFC供应氧化空气影响关断。电极处的甲醇燃料浓度决定了电池将如何幸免于空气供应的中断以及易于后续的重启。另外，在冷却周期期间有必要建立一种保护堆和个体电池免受冻结影响的措施。Odgaard (所公开的美国申请2010/0310954)公开了通过向燃料电池系统引入冰点抑制剂和/或通过惰性气体冲洗燃料电池系统来保护燃料电池系统免于冰冻的系统和方法，并且描述了由于甲醇的反应而出现的另外的问题，即使其是能够充分抑制水的冰点以在冻结条件下存储时保护DMFC的材料。在所公开的该专利申请中，描述了用于向燃料电池系统添加与燃料电池材料成分相兼容且不会对燃料电池系统的电极处理造成不利影响的冰点抑制剂的方法和系统，以及这样一种方法和系统，该方法和系统在燃料电池关断期间利用惰性气体冲刷燃料电池系统，所述惰性气体优选作为甲醇氧化时所生成的反应产物在系统中已经存在的二氧化碳。所公开的专利申请进一步提供了燃料电池去激励处理，其在休眠周期期间使得直接甲醇燃料电池(DMFC)处于非反应状态并且对休眠电池提供了精心控制的重新激活而并不增加复杂度且并不降低燃料电池的效率。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及一种以可变功率水平对直接甲醇燃料电池(DMFC)进行操作并且保护DMFC免于在环境温度中瞬变的方法。该方法包括连续监视DMFC的堆、分段和/或单个电池的电压；突然中断DMFC的连续操作并且观察电压衰减；基于所测量的电压评估电池和堆的条件和/或甲醇需求；并且正确调节DMFC的甲醇浓度。在一个实施例中，经由算法F_—D()se=Fst()ieh+FeMSS+FTemp+Fdu/dt对电池和堆的条件和/或甲醇需求进行评估。本专利技术的另一个方面涉及一种用于以可变功率水平对直接甲醇燃料电池(DMFC)进行操作并且保护DMFC免于在环境温度中瞬变的系统。本专利技术的系统包括DMFC堆，其被设置为使得离开堆的剥蚀空气向下排出并且离开堆的所有燃料向上流动；用于诊断空气中断功能或者将DMFC与其负载瞬时断开连接的装置；用于测量DMFC的堆、分段和/或单个电池的电压衰减的装置；用于基于所测量的电压评估电池和堆的条件和/或甲醇需求的装置；和用于正确调节DMFC的甲醇浓度的装置。在一个实施例中，本专利技术的方法和系统在不使用甲醇传感器控制系统和/或冰点抑制剂的情况下进行操作。【附图说明】图1是通过阴极电极和PEM电解质并且在阳极电极右侧的甲醇浓度的图形表示并且示出了甲醇浓度通过PEM从阴极侧至阳极的下降。图2是描绘突然中断电流消耗之后电池电压的衰减曲线图。【具体实施方式】在以下描述中，Vl是开路电池电压，而且在这里被称作0CV，而V2是空气中断之后的电池电压。如果没有燃料或氧化剂存在，则Vl接近O伏特。如果存在空气和燃料，则Vl理论上应当接近1.23V。一些燃料将通过渗透至膜电介质的阴极侧而穿透，并且一些氧化剂将渗透至阳极侧，从而电池的混合电位将低于理论值。V2电池电位是阴极侧的甲醇数量的函数，其在容易获得氧化剂的情况下严重受到甲醇穿透至阴极侧所生成的逆向电池电位的影响，而在阳极的燃料流中则并非是这样的情形。如果不存在甲醇则V2将等于Vl并且如果存在足够甲醇以减少阴极处全部的氧气则V2将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以可变功率水平对直接甲醇燃料电池（DMFC）进行操作并且保护DMFC免于在环境温度中瞬变的方法，所述方法包括：（a）连续监视DMFC的堆、分段和/或单个电池的电压；（b）突然中断DMFC的连续操作并且观察电压衰减；（c）基于所测量的电压评估电池和堆的条件和/或甲醇需求；并且（d）正确调节所述DMFC的甲醇浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.01.28 US 61/437,2301.一种用于以可变功率水平对直接甲醇燃料电池(DMFC)进行操作并且保护DMFC免于在环境温度中瞬变的方法，所述方法包括: Ca)连续监视DMFC的堆、分段和/或单个电池的电压； (b)突然中断DMFC的连续操作并且观察电压衰减； (c)基于所测量的电压评估电池和堆的条件和/或甲醇需求；并且 Cd)正确调节所述DMFC的甲醇浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，电池和堆的条件和/或甲醇需求经由算法FsmiDose Fstoich+Fcross+FTemp+FdU/dt 进行评估。3.一种用于以可变功率水平对直接甲醇燃料电池(DMFC)进行操作并且保护DMFC免于在环境温度中瞬变的...

【专利技术属性】
技术研发人员：维斯蒂·安德森，雅各布·林德纳·邦德，约尔根·S·伦斯高德，马斯·朗德斯托姆，玛德琳·奥德高，
申请(专利权)人：IRD燃料电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK