包括不向外排放物质的燃料电池的电源及控制该电源的方法技术

一种电气电源，包括燃料电池（１）、至少一条包括分别连接到反应流体源和储藏容器（１０）的入口和出口的流动通道（５ａ）、设置在所述反应流体源与所述流动通道（５ａ）的所述入口之间的入口阀，该电源的特征在于它包括用于将所述入口阀（１１）关闭一预定的第一时间周期（Ｔ１）的机构、以及用于将所述入口阀（１１）开启一远短于所述第一时间周期（Ｔ１）的预定的第二时间周期（Ｔ２）的机构，从而在所述第一时间周期（Ｔ１）期间从所述储藏容器（１０）向所述燃料电池（１）供应反应流体，并在所述第二时间周期（Ｔ２）期间，以反应流体填充该储藏容器（１０）并将累积在所述燃料电池（１）中的水排出到所述储藏容器（１０）。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括不向外排放物质的燃料电池的电源及控制该电源的方法
本专利技术涉及一种电气电源(electric power source)，包含燃料电池、至少一条包括分别连接反应流体源和储藏容器(tank)的入口和出口的流动通道(flow channel)、设置在反应流体源与流动通道的入口之间的入口阀。
技术介绍
图1示出的包括质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane FuelCell：PEMFC)型低温燃料电池1的电气电源包括由允许H+质子通过的膜4隔开的阳极2和阴极3。阳极2是其反应物为氢的反应的场所，而在阳极2处形成的H+质子与氧之间的反应在阴极3发生。通过连接到反应物源的流动通道5a和5b，分别向阳极2和阴极3供应氢和氧，所述反应物源一方面对于氢源可以是纯氢或重整的碳氢化合物，另一方面对于氧源可以是纯氧或空气。流动通道5a和5b分别由阳极和阴极的外壁、以及板6a和6b的内壁所界定。燃料电池工作过程中产生的水通常停滞在燃料电池1内的流动通道5a和5b中，这使燃料电池中的反应放慢甚至停止。因此，为了获得具有良好效率的电气电源，燃料电池中出现的水必须排出。实际上，如果水不排出，它将凝结在电池中并且在流动通道中积聚在进气口对面。水的积聚易于淹没燃料电池，阻挡气体到达电极。燃料电池产生的水的排出通常通过对水的机械引流来进行，同时未消耗的反应气体也被排出。因此，在图2中，包括燃料电池1的电源使得所产生的水的连续排出能在流动通道5a和5b的出口处进行，所述流动通道的入口分别连到氧源和氢源。由于燃料电池中的气体压力大于下游的外部压力，于是燃料电池1中产生的水通过未消耗的反应气体被机械地从燃料电池驱出。流动通道5a和5b每个包括阀7，阀7在此情况中由减压阀形成，设置在电源的出口处。此技术对于连续的空气或重整燃料的供给尤其适合，对于该供给，除了所产生的水外，还必须连续排出不起反应的化合物，例如未消耗的-->氮气。如果反应气体的供给是连续的，也可以借助于构成排水阀的阀7通过进行周期性排水来排出水。电池中的压力大于下游的外部压力，且未消耗的反应气体机械地且以不连续的方式从电源中将水逐出。这种技术经常用于纯反应物源，并且排水操作的频率为每分钟几次排水到每小时几次排水。然而，连续和不连续的排出方法具有的缺点是，向燃料电池外部排放气体或液体排出物。一种被称为再循环的方法使得排放能被避免。因此在图3中，电源包括设置在燃料电池1的入口与出口之间的气体再循环装置8。泵使得在电池出口处收集到的气体能被重新注入到燃料电池1的入口中。燃料电池中产生的并与未消耗的反应气体同时通过流动通道5b排出的水于是在例如可以是冷凝器的再循环装置中与反应气体分离。然后水被排出到外部或者被存储起来。例如，文献US5,798,186描述了一种包括电化学电池的电源。氢源和空气源连接到电化学电池的入口，而储藏容器连接到电池的出口从而收集形成的水和电池中没有反应的氢。压力调节器设置在氢源与电池的入口之间，并且未反应的氢借助于外部导管和泵重送回电池入口，压力调节器的下游。这种被称作再循环的方法避免了排放，但是实现起来复杂，且需要对电源的鲁棒性(robustness)不利的笨重的电源和泵。将连续的和不连续的流动与再循环方法结合起来，这也是公知的。例如，Leo J.M.Blomen和Michael N.Mugerwa的文献“Fuel cell systems”(PlenumPress-New York and London，1993)在518和519页描述了一种电源，该电源包括燃料电池、以及用于氢流动通道的不连续流动系统和用于为氧保留的通道的再循环系统。然而，这些电源笨重且需要额外设备，该额外设备在受限的环境中是几乎不实际的。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种电气电源，其包括紧凑、耐用(robust)的燃料电池，能够将水从燃料电池排出，不向电气电源的外部排放物质。根据本专利技术，该目的通过这样的事实达到，即它包括用于将入口阀关闭一预定的第一时间周期的机构(means)、以及用于将该入口阀开启一远短于该第一时间周期的预定的第二时间周期的机构，从而在该第一时间周期期间从-->储藏容器向燃料电池供应反应流体，并且在该第二时间周期期间以反应流体填充储藏容器并将累积在燃料电池中的水排到储藏容器。根据本专利技术的改进，该电源包括两个流动通道，其分别在一方面连接到第一和第二储藏容器，并且在另一方面连接到氢源和连接到氧源。根据本专利技术的另一特征，储藏容器的容积远大于包含在燃料电池中的反应流体的体积。本专利技术的另一目的是提供例如以上电源的电源的易于进行的控制方法。根据本专利技术，控制方法包括：-用反应流体填充储藏容器，将流动通道的入口阀关闭一预定的第一时间周期；-将该入口阀开启一预定的第二时间周期，从而将该第一时间周期期间累积在燃料电池中的水排出到储藏容器，并用反应流体再填充储藏容器，该第二时间周期远短于该第一时间周期。根据本专利技术的改进，该第二时间周期具有小于1秒的持续时间。附图说明由以下对本专利技术的具体实施例的描述，其它优点和特征将变得更清楚，所述实施例仅作为非限制性示例给出并在附图中示出，附图中：图1示意性地示出根据现有技术的电源的PEMFC型燃料电池。图2和3是根据现有技术的电气电源的示意图。图4和5示意性地示出根据本专利技术的电源，入口阀分别处于关闭的位置和打开的位置。具体实施方式优选地用在受限制的环境中的电气电源包括燃料电池1和至少一个穿过燃料电池的流动通道5a。图4中，PEMFC型燃料电池1通过呈虚线的轮廓表示，并且包括彼此通过流动通道5a连接的至少一个入口1a和至少一个出口1b。流动通道5a包括连接至反应流体源(未示出)并设置在燃料电池的入口1a的上游的入口、以及设置在燃料电池的出口1b的下游的出口，从而将反应流体供给燃料电池并去除燃料电池中产生的水。电源9还包括设置在流动通道5a的出口上的储藏容器10、以及设置在反应流体源与流动通道-->5a的输入端之间的入口阀11。入口阀11的开启和关闭由控制装置12控制。储藏容器10被设计为容纳供给燃料电池的反应流体和在燃料电池中产生的水。其容积大于燃料电池中包含的反应流体的体积，从而能够容纳使用电源足够长时间期间产生的水的量。电气电源9的工作通过电气电源的控制过程来管理，该控制过程包括两个交替重复的步骤。储藏容器最初装有反应流体，其设计来供给燃料电池以反应流体。通过借助控制装置12开启入口阀11，储藏容器被注入反应流体。如果它设置在对应于氢源的流动通道的出口上，则它优选地装入纯氢；或者如果它设置在对应于氧源的通道的出口上，则它优选地装入纯氧。该电源还可以包括两条流动通道，其分别在一方面连接到第一和第二储藏容器，并在另一方面连接到氢源和氧源。一旦储藏容器10被填充，则流动通道5a的入口阀11被关闭(图4)预定的相当长的第一时间周期T1。然后通过储藏容器10进行对燃料电池1的反应流体的供应。图4中，入口阀关闭时反应流体的流动通过从储藏容器10指向燃料电池1的出口1b的箭头F1表示。因此，向燃料电池供应反应流体经由燃料电池的出口1b发生。燃料电池消耗反应流体并产生水，其主要呈液体形式。如果反应流体是气体，则燃料电池中气体的量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电气电源，包括燃料电池(1)、至少一条包括分别连接到反应流体源和储藏容器(10)的入口和出口的流动通道(5a)、设置在所述反应流体源与所述流动通道(5a)的所述入口之间的入口阀，该电源的特征在于它包括用于将所述入口阀(11)关闭一预定的第一时间周期(T1)的机构、以及用于将所述入口阀(11)开启一远短于所述第一时间周期(T1)的预定的第二时间周期(T2)的机构，从而在所述第一时间周期(T1)期间从所述储藏容器(10)向所述燃料电池(1)供应反应流体，并在所述第二时间周期(T2)期间，以反应流体填充该储藏容器(10)并将累积在所述燃料电池(1)中的水排出到所述储藏容器(10)。2.根据权利要求1的电源，其特征在于它包括两个流动通道(5a，5b)，其分别在一方面连接到第一和第二储藏容器(10)并且在另一方面连接到氢源和连接到氧源。3.根据权利要求1和2中的任一项的电源，其特征在于该储藏容器(10)设置在比所述燃料电池(1)低的水平面，从而将水捕获在所述储藏容器(10)中。4.根据权利要求1和2中的任一项的电源，其特征在于所述储...

【专利技术属性】
技术研发人员：让菲利普·波伊罗特克劳维泽尔，
申请(专利权)人：原子能委员会，
类型：发明
国别省市：