控制电化学电池中水不平衡的方法和系统技术方案

提供了一种控制电化学电池中水不平衡的系统和方法。该方法包括通过将water

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制电化学电池中水不平衡的方法和系统
本专利技术涉及电化学电池，更具体地，涉及控制电化学电池或电池堆中水不平衡的方法和系统。
技术介绍
电化学电池通常被归类为燃料电池或电解电池，是用于通过化学反应产生电流或通过电流流动诱导化学反应的装置。例如，燃料电池将燃料(如氢气、天然气、甲醇、汽油等)和氧化剂(空气或氧气)的化学能转化为电能和热及水的废弃物。基本的燃料电池包括带负电的阳极、带正电的阴极和称为电解质的离子导电材料。不同的燃料电池技术利用不同的电解质材料。例如，质子交换膜(PEM)燃料电池利用聚合物离子导电膜作为电解质。在氢PEM燃料电池中，氢原子在阳极被电化学分离成电子和质子(氢离子)。然后电子通过电路流向阴极并产生电能，而质子则通过电解质膜扩散到阴极。在阴极，氢质子与电子和氧气(供给阴极)结合产生水和热。电解电池代表反向操作的燃料电池。当施加外部电势时，碱性电解电池通过将水分解成氢气和氧气起到氢气发生器的作用。氢燃料电池或电解电池的基本技术可应用于电化学氢操作，例如电化学氢压缩、纯化或膨胀。电化学氢操作已经作为传统上用于氢管理的机械系统的可行替代方案出现。氢气作为能源载体的成功商业化和“氢经济”的长期可持续性在很大程度上取决于燃料电池、电解电池和其他氢操作/管理系统的效率和成本效益。在操作中，单个燃料电池通常可以产生约1伏特。为了获得所需的电功率，将单独的燃料电池组合成燃料电池堆，其中燃料电池顺序地堆叠在一起。如前所述，水不仅作为燃料和氧化剂转化为电能的副产品在阴极产生，而且还可以作为氧化剂和/或燃料气体(统称为“输入气体”)中的湿度/蒸汽引入电池。并且由于电化学电池可在各种环境条件下操作，因此输入气体的湿度(和其它参数，例如温度)可变化。通常通过反应物气体(例如氧气)的排出流将水从电化学电池中去除。去除水的效率低可能导致电化学电池溢流。电化学电池的溢流可能导致反应物气流的减少或完全停止。过量的水积聚会导致单独的电化学电池失效，进而导致电化学电池堆不稳定和/或失效。尽管电化学电池中过量的水会对其性能产生不利影响，但水是支持电池操作所必需的。例如，聚合物膜中的水含量使电化学反应成为可能，因为它增加了离子导电率。维持水平衡或平衡的尝试(即，在溢流状态和干燥状态之间)包括，例如，将电流输出与水含量相关联，并在电流变化表明电池性能变化时进行操作调节。然而，这种相关性没有考虑到快速变化的平衡动力学，因此，校正平衡的努力可能太晚或不够，因此，电化学电池性能可能会受到影响或停止。
技术实现思路
鉴于需要维持电化学电池中的水含量平衡，本专利技术涉及设计用于克服与电化学电池和电化学电池堆中现有水管理技术相关的一个或多个问题的方法和系统。在一个方面，本专利技术涉及控制电化学电池中水不平衡的方法。在一些实施例中，该方法可包括通过将waterin和watercreated相加减去waterout来确定电化学电池中当前的水不平衡。在一些实施例中，waterin可以是由氧化剂进给气体引入电化学电池的水量；watercreated可以是电化学电池从电化学反应中产生的水量；waterout可以是由氧化剂排放气体从电化学电池排出的水量。在一些实施例中，该方法还可包括通过在操作期间重复确定当前的水不平衡并继续对结果进行求和来跟踪电化学电池操作期间的累积水不平衡。并且，在一些实施例中，该方法还可包括基于累积水不平衡调节进入电化学电池的氧化剂进给气体的流速。在另一方面，本专利技术涉及电化学电池系统。在一些实施例中，电化学电池系统可包括电化学电池、多个氧化剂气体入口传感器、氧化剂气体排放传感器、冷却剂入口传感器、冷却剂排放传感器和电流传感器，还有控制器。在一些实施例中，控制器可配置成通过将waterin和watercreated相加减去waterout来确定电化学电池中当前的水不平衡。在一些实施例中，waterin可以是由氧化剂进给气体引入电化学电池的水量；watercreated可以是电化学电池从电化学反应中产生的水量；waterout可以是由氧化剂排放气体从电化学电池排出的水量。在一些实施例中，控制器还可配置成通过在操作期间重复地确定当前的水不平衡并继续对结果进行求和来跟踪电化学电池操作期间的累积水不平衡。并且，在一些实施例中，控制器还可配置成基于累积水不平衡来调节进入电化学电池的氧化剂进给气体的流速。应当理解，前面的一般性描述和下面的详细描述都只是示例性的和解释性的，不限制所要求保护的本专利技术。附图说明并入并构成本说明书一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1示出了根据示例性实施例的电化学电池系统的示意图。图2是示出根据示例性实施例的控制电化学电池系统中的水不平衡的方法的流程图。图3是图2的流程图的延续，示出了根据示例性实施例的控制电化学电池系统中水不平衡的方法。具体实施方式现在将详细参考本专利技术的示例性实施例，其示例在附图中示出。在可能的情况下，在所有附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。尽管关于电化学电池，特别是使用氢气、氧气和水的燃料电池进行了描述，但是可以理解，本专利技术的装置和方法可以与各种类型的燃料电池和电化学电池一起使用，包括但不限于电解电池、氢纯化器，氢膨胀器和氢压缩机。图1示出了根据本专利技术示例性实施例的电化学电池系统100的示意图。电化学电池系统100可包括电化学电池10，电化学电池10可以是例如PEM燃料电池，除其他外，其具有由电解液分离的阳极和阴极。系统100可配置成通过电化学电池10接收和排放氧化剂气体(例如，氧气或环境空气)、反应气体(例如，氢气)和冷却剂。尽管图1和以下描述参考了电化学电池10，应理解，该描述同样适用于可包括多个电化学电池10的电化学电池堆。氧化剂气体可输送至电化学电池10的阴极，而燃料气体可输送至电化学电池10的阳极。冷却剂也可输送至电化学电池10的冷却剂通道。冷却剂可由冷却剂泵44通过冷却剂入口管路32A供应至电化学电池10，并通过冷却剂出口管路32B从电化学电池10排出。氧化剂气体可通过氧化剂气体入口管路34A供应至电化学电池10，并通过氧化剂气体排放管路34B排出。氧化剂气体可由压缩机42或另一适当装置供应至氧化剂气体入口管路34A。在一些实施例中，可从周围环境或其他合适的氧化剂源向压缩机42供应氧化剂(例如，空气)。燃料气体可通过燃料气体入口管路36A供应至电池10，并通过燃料气体排放管路36B排出。电池10还可包括连接到电负载30的电流电路28。在操作中，氧化剂和燃料气体通过各自的入口管路流入电化学电池10，导致在分隔阳极和阴极的电解质膜处发生电化学反应，从而产生通过电流电路28供应至电负载30的电流。电化学电池系统100可包括可沿冷却剂入口管路32A定位的一个或多个冷却剂入口传感器，以及可沿冷却剂出口管路32B定位的一个或多个冷却剂出口传感器。例如，如图2所示，系统100可包括冷却剂入口传感器20，其配置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制电化学电池中水不平衡的方法，包括：/n通过将water

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种控制电化学电池中水不平衡的方法，包括：
通过将waterin和watercreated相加减去waterout来确定电化学电池中当前的水不平衡，其中：
waterin是由氧化剂进给气体引入电化学电池的水量；
watercreated是电化学电池从电化学反应产生的水量；和
waterout是由氧化剂排放气体从电化学电池排出的水量；
通过在操作期间重复地确定当前的水不平衡并继续对结果进行求和来跟踪电化学电池操作期间的累积水不平衡；
基于累积水不平衡调节进入电化学电池的氧化剂进给气体的流速。


2.根据权利要求1所述的方法，其中使用比例积分微分(PID)控制器控制氧化剂进给气体流速的调节。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当累积水不平衡偏离零时，调节氧化剂进给气体的流速，以使累积水不平衡为零。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中当累积水平衡偏离零超过设定阈值时，调节进入电化学电池的氧化剂气体的流速。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中至少每30秒重复确定当前的水不平衡。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在通常固定的冷却剂入口温度下将冷却剂供应至电化学电池，其中
冷却剂入口温度的设置基于一组环境条件，以确保使累积水不平衡为零所需的潜在最大氧化剂气体流速在供应氧化剂进给气体流的压缩机的操作限值内。


7.根据权利要求6所述的方法，其中冷却剂从以通常固定速度运行的冷却剂泵供应至电化学电池。


8.根据权利要求6所述的方法，其中所述一组环境条件包括空气温度、压力和湿度。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括通过以下方式将累积水不平衡重新校正为零：
临时增加氧化剂进给气体到电化学电池的流速，以干燥电化学电池；
测量电化学电池的电阻；
确定测得的电阻是否约等于对应于累积水不平衡等于零的目标电阻；和
当测得的电阻约等于目标电阻时，将累积水不平衡重置为零。


10.根据权利要求9所述的方法，其中使用电流中断方法测量电阻。


11.根据权利要求9或10所述的方法，其中目标电阻是在电化学电池的初始启动测试期间确定的。


12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中目标电阻约在50至100mΩ-cm2。


13.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括通过以下方式将累积水不平衡重新校正为零：
测量电化学电池的基线电阻；
临时增加氧化剂进给气体到电化学电池的流速，以干燥电化学电池；
测量电化学电池的当前电阻；
确定测得的当前电阻相对于基线电阻是否增加；和
当测得的当前电阻比基线电阻增加约0.5％至约300％时，将累积水不平衡重置为零。


14.根据权利要求13所述的方法，其中，从基线电阻到当前电阻的电阻变化约为25％。


15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，在电化学电池的关机序列期间，每天至少执行一次将累积水不平衡重新校正为零的操作。


16.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，还包括通过以下方式将累积水不平衡重新校正为零：
临时增加氧化剂进给气体到电化学电池的流速，以干燥电化学电池；
测量氧化剂排放气体的湿度；
确定测得的氧化剂排放气体的湿度是否约等于对应于累积水不平衡等于零的目标湿度；和
当测得的湿度约等于目标湿度时，将累积水不平衡重置为零。


17.根据权利要求16所述的方法，其中目标湿度在约50％到约99％之间。


18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，还包括使用位于氧化剂排放气体管路中的固定孔来控制全功率下氧化剂排放气体的压力。


19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中基于氧化剂进给气体的湿度、氧化剂进给气体的压力和氧化剂进给气体的流速来确定waterin。


20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中基于电化学电池产生的电流和阳极化学计量比来确定watercreated。


21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中基于氧化剂排放气体的湿度和氧化剂排放气体的压力来确定waterout。


22.一种电化学电池系统，包括：
电化学电池；
多个氧化剂气体入口传感器、氧化剂气体排放传感器、冷却剂入口传感器、冷却剂排放传感器和电流传感器；
控制器，该控制器配置成：
通过将waterin和watercreated相加减去waterout来确定电化学电池中当前的...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特·布兰切特，
申请(专利权)人：努威拉燃料电池有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US