燃料电池组件和相关操作方法技术

一种操作燃料电池组件的方法，其包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，每个燃料电池包括阳极和阴极，所述方法包括选择性地提供组件的燃料电池中的至少一个的阳极和阴极之间的电连接以便独立于负载降低燃料电池的电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池组件和相关操作方法
本专利技术涉及一种燃料电池组件和一种操作燃料电池组件的方法。特别地，本专利技术涉及一种燃料电池组件，其配置成通过独立于施加到组件的负载控制燃料电池的电压来调节形成组件的单独的燃料电池。
技术介绍
常规的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转化为电能和反应产物。常见类型的电化学燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其包括在阳极和阴极之间的聚合物离子(质子)转移膜和气体扩散结构。燃料(例如氢)和氧化剂(例如来自空气的氧)通过MEA的相应侧以生成电能和作为反应产物的水。可以形成堆，其包括布置有独立的阳极和阴极流体流动路径的多个这样的燃料电池。这样的堆典型地为块的形式，其包括通过在堆的任一端部处的端板保持在一起的多个单独的燃料电池板。
技术实现思路
根据第一方面，我们提供了一种燃料电池组件，其包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，所述组件包括一个或多个调节开关，每个调节开关与所述多个燃料电池中的一个或多个燃料电池关联并且配置成选择性地提供其关联的燃料电池的阳极和阴极之间的电连接，或者当与燃料电池组关联时，选择性地提供所述组中的第一燃料电池的阳极和最后燃料电池的阴极之间的电连接，以便独立于所述负载控制所述燃料电池或所述燃料电池组的电压。这是有利的，原因是组件能够调节燃料电池或其组成部分，例如质子交换膜或催化剂层，用于有效操作或用于减轻燃料电池降解机制。由调节开关提供的电连接可以提供关联的燃料电池或串联连接的燃料电池组的短路，原因是它可以相对于为负载供电的电路径产生较低阻抗电路径。因此，燃料电池可以电连接在一起以为负载供电并且调节开关的致动可以提供来自电池的阳极和/或阴极的附加或替代的电连接。特别地，电连接可以降低关联的燃料电池或燃料电池组上的电位。在操作期间(即在燃料电池组件被提供反应物的时段期间)，特别是在燃料电池组件的启动或关闭时(即燃料电池组件可能被提供或不提供反应物的情况下或者当反应物的供应开始或停止时)，控制单独的燃料电池的电压已经被发现具有许多有益效果，如下面将描述。可选地，所述多个燃料电池的所有燃料电池单独地或作为串联连接组的一部分与调节开关关联，使得能够独立于所述负载来控制所述组件中的每一个燃料电池的电压。可选地，所述多个燃料电池的每个燃料电池包括用于选择性地提供所述电连接的相应的调节开关。因此，可以控制每个单独的燃料电池的电压。控制组件中的单独的燃料电池的电压或短路可能是有利的。调节开关可以配置成单独地和顺序地被致动。替代地，一个以上调节开关可以配置成同时被致动。燃料电池组件可以包括燃料电池堆。可选地，所述一个或多个调节开关包括诸如晶体管的半导体器件。替代地，所述一个或多个调节开关包括电感器耦合继电器。可选地，每个燃料电池包括配置成邻接所述燃料电池的膜电极组件的燃料电池板，所述燃料电池板包括用于连接到所述调节开关的至少一个连接器。可以将燃料电池堆中的单独的燃料电池分离的燃料电池板提供方便的主体以形成与调节开关的连接。可选地，燃料电池板可以包括从板突出以用于连接到调节开关的突出部，或者可以包括用于接收与调节开关的连接的腔。一个或多个调节开关可以位于燃料电池组件的主体内或燃料电池组件的主体外部。可选地，所述燃料电池板包括多个连接器，并且所述调节开关相应地包括多个开关元件，所述开关元件配置成连接到所述多个连接器并且一起操作以选择性地提供用于其关联的燃料电池的电连接。每个调节开关可以由多个半导体器件提供。燃料电池板上的多个连接器可以有利地提供用于多个半导体器件的连接点。如果需要通过由开关元件形成的电连接通过大电流，则这是有利的。因此，多个半导体器件可以配置成一起被致动以提供调节开关的功能。可选地，每个燃料电池板包括至少两个连接器，并且所述至少两个连接器形成于所述燃料电池板的不同侧。所述至少两个连接器可以设在燃料电池板的相同侧，燃料电池板的不同侧或相对侧。如果需要由电连接通过大电流，则在燃料电池板的不同部分上提供连接器有利于减小连接器的区域中的峰值电流密度。在其它实施例中，每个燃料电池板上的单个连接器被提供用于连接到调节开关。可选地，所述多个燃料电池一起布置在堆中，所述堆包括与所述燃料电池堆一起布置的歧管以便将反应物输送到所述堆中的所述多个燃料电池的每一个或接收来自所述堆中的所述多个燃料电池的每一个的排气流，所述组件包括在所述燃料电池堆和所述歧管之间延伸的基板，所述基板包括所述一个或多个调节开关。可选地，每个燃料电池包括配置成邻接所述燃料电池的膜电极组件的燃料电池板，所述基板配置成与每个燃料电池板接合。可以提供用于每个燃料电池的公共基板。基板是有利的，原因是用于多个燃料电池的调节开关可以安装在公共基板上，所述公共基板定位成使得由其承载的调节开关连接到堆中的燃料电池。可选地，所述电连接包括燃料电池电压控制元件，所述燃料电池电压控制元件配置成将与其关联的燃料电池的电压控制到预定电压。燃料电池电压控制元件可以包括可控阻抗。燃料电池电压控制元件可以配置成独立地控制其关联的燃料电池的阳极处的电压和阴极处的电压。燃料电池电压控制元件可以配置成控制燃料浓度/燃料量/阳极淹没水平以控制阳极电压。燃料电池电压控制元件可以配置成控制氧化剂浓度/氧化剂量/阴极淹没以控制阴极电压。可选地，所述燃料电池电压控制元件是可控的，使得在所述燃料电池组件的操作期间所述预定电压是可配置的。因此，可以主动地控制每个燃料电池或其阳极/阴极降低/升高到的电压。调节开关可以提供与燃料电池电压控制元件的连接。替代地，调节开关可以形成燃料电池电压控制元件的一部分。在任一情况下，形成其关联的燃料电池的阳极和阴极之间的电连接。可选地，提供多个调节开关，并且调节开关控制器配置成控制所述调节开关。因此，组件的燃料电池均可以具有关联的调节开关和/或燃料电池电压控制元件。控制器可以有利地根据需要致动调节开关和/或控制燃料电池电压控制元件，例如顺序地或一起。可选地，所述控制器配置成致动所述调节开关以选择性地在所述燃料电池组件的启动或关闭时提供所述电连接。在启动时，调节开关的致动可以保护组件的燃料电池免受由反应物压力前沿移动通过组件而导致的退化。在关闭时，开关的致动有助于消耗残余的反应物。因此，在启动时段之外，例如在开始反应物的供应之后的一段时间内，调节开关的选择性致动可以在频率上减小或停止。可选地，所述控制器配置成致动所述调节开关以选择性地在所述多个燃料电池上顺序地提供所述电连接。可选地，组件中的小于10％或5％的燃料电池或仅单个燃料电池在任何时间被提供电连接。将领会尽管可以单独地致动每个调节开关，但是控制器可以在任何时间致动一个以上。可选地，所述控制器配置成响应于所述燃料电池组件的电压超过预定阈值致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。接近开路电压操作燃料电池组件可能会导致退化，这可能会由调节开关的选择性使用减轻。可选地，所述控制器配置成响应于燃料电池性能的一个或多个量度超过相关阈值致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。可选地，所述燃料电池性能的量度包括：i)所述燃料电池组件中的污染物的量度，例如一氧化碳；或ii)所述多个燃料电池中的任何一个(或一个以上)燃料电池的电压的量度；或iii)用冷却剂淹没单独的燃料电池(或一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池组件，其包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，所述组件包括一个或多个调节开关，每个调节开关与所述多个燃料电池中的一个或多个燃料电池关联并且配置成选择性地提供其关联的燃料电池的阳极和阴极之间的电连接，或者当与燃料电池组关联时，选择性地提供所述组中的第一燃料电池的阳极和最后燃料电池的阴极之间的电连接，以便独立于所述负载控制所述燃料电池或所述燃料电池组的电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.08 GB 1421778.01.一种燃料电池组件，其包括连接在一起以便将电力共同地提供给负载的多个燃料电池，所述组件包括一个或多个调节开关，每个调节开关与所述多个燃料电池中的一个或多个燃料电池关联并且配置成选择性地提供其关联的燃料电池的阳极和阴极之间的电连接，或者当与燃料电池组关联时，选择性地提供所述组中的第一燃料电池的阳极和最后燃料电池的阴极之间的电连接，以便独立于所述负载控制所述燃料电池或所述燃料电池组的电压。2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述多个燃料电池的每个燃料电池包括用于选择性地提供所述电连接的相应的调节开关。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池组件，其中所述或每个调节开关包括一个或多个半导体器件。4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，其中每个燃料电池包括配置成邻接其燃料电池的膜电极组件的燃料电池板，所述燃料电池板包括用于连接到所述调节开关的至少一个连接器。5.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其中所述燃料电池板包括多个连接器，并且所述调节开关相应地包括多个开关元件，所述开关元件配置成连接到所述多个连接器并且一起操作以选择性地提供用于其关联的燃料电池的电连接。6.根据权利要求4或5所述的燃料电池组件，其中每个燃料电池板包括至少两个连接器，并且所述至少两个连接器形成于所述燃料电池板的不同侧。7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，其中所述多个燃料电池一起布置在堆中，并且包括歧管以便将反应物输送到所述堆中的所述多个燃料电池中的一个或多个或接收来自所述堆中的所述多个燃料电池中的一个或多个的排气流，所述组件包括在所述燃料电池堆和所述歧管之间延伸的基板，所述基板包括所述一个或多个调节开关。8.根据权利要求7所述的燃料电池组件，其中每个燃料电池包括配置成邻接所述燃料电池的膜电极组件的燃料电池板，所述基板配置成与每个燃料电池板接合。9.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，其中所述电连接包括燃料电池电压控制元件，所述燃料电池电压控制元件配置成将所述燃料电池的电压控制到预定电压。10.根据权利要求9所述的燃料电池组件，其中所述燃料电池电压控制元件是可控的，使得在所述燃料电池组件的操作期间所述预定电压是可配置的。11.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池组件，其中提供多个调节开关，并且调节开关控制器配置成控制所述调节开关。12.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成致动所述调节开关以选择性地在所述燃料电池组件的启动或关闭时提供所述电连接。13.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成致动所述调节开关以选择性地在所述多个燃料电池上顺序地提供所述电连接。14.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成响应于所述燃料电池组件的电压超过预定阈值致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。15.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成响应于燃料电池性能的量度超过阈值致动所述调节开关以选择性地提供所述电连接。16.根据权利要求15所述的燃料电池组件，其中所述燃料电池性能的量度包括：i)所述燃料电池组件中的污染物的量度，例如一氧化碳；或ii)所述多个燃料电池中的任何一个(或一个以上)燃料电池的电压的量度；或iii)用冷却剂淹没单独的燃料电池(或一个以上燃料电池)的量度；或iv)靠近所述燃料电池组件的环境条件的量度，例如温度或湿度。17.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成致动所述调节开关以至少在通过所述组件的所述燃料电池组件的反应物流的增加开始和反应物流速或压力达到预定水平之间选择性地提供所述电连接。18.根据权利要求11所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成响应于所述燃料电池中的特定燃料电池的电压相对于所述组件中的至少一个其它燃料电池已变为或即将变为负的指示致动所述调节开关以选择性地提供用于所述特定燃料电池的电连接。19.根据权利要求18所述的燃料电池组件，其中所述控制器配置成监测所述组件中的所述燃料电池的每一个的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·艾什顿，Z·埃利奥特，H·J·卡玛兹恩，K·卡普乔，
申请(专利权)人：智能能源有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB