控制和最大化燃料电池的电效率和功率输出的方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制和最大化燃料电池的电效率和功率输出的方法专利
本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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(ReviewofScientificInstruments)的78卷和8卷中发表的论文“Efficiencymeasurementanduncertaintydiscussionofanelectricenginepoweredbyaself-breathingandself-humidifiedprotonexchangemembranefuelcell”中示出的那样，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)。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。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。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”。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高可能电流密度。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。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。专利技术概述本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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％。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的另一目的是提供一种测量燃料电池的电效率的方法。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的另一目的是提供一种能快速控制电效率的燃料电池。本专利技术的另一目的是提供一种适于获得高电效率的燃料电池。本专利技术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。根据本专利技术的第一方面，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：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。较为有利地，根据本专利技术的控制燃料电池的方法包括下列步骤：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；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。更为有利地，该方法包括下列步骤：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，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，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和电功率输出曲线确定电效率和局部电流密度。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。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。根据本专利技术的另一方面，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：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；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；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；评估该电阻器两侧的基准电压降；改变至少一种试剂的稀释；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该电阻器的电阻之比的基础上，评估燃料电池的电效率。根据本专利技术的又一方面，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：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，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；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；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(Rλ)，直到获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.19 IT VR2011A0001091.一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；在预定的工作压力下确定每单位有效表面的电效率曲线EEC(POX；PRED)曲线，所述电效率曲线因变于在燃料电池中每单位有效表面所产生的电流密度；建立要求的电效率值，由此根据电效率曲线确定适当的电流密度；以及在燃料电池中产生等于或低于所述适当的电流密度的电流密度值；在预定的工作压力下确定每单位有效表面的电功率输出曲线EPC(POX；PRED)，所述电功率输出曲线因变于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；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(POX；PRED)和电功率输出曲线EPC(POX；PRED)来确定电效率和局部电流密度。2.根据权利要求1所述的方法，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。4.如权利要求3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/或还原剂的稀释度；将所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/或还原剂的稀释度。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过加/减己存在的阴极和/或阳极区的试剂或稀释剂，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，来增加或减少所述局部电流密度，由此减少或增加电效率。6.如权利要求1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。7.如权利要求1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的总量由此确保燃料电池要求的供电的步骤。8.如权利要求1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。9.如权利要求8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。10.如权利要求9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己知的，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。11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述原料混合物的浓度是己知的，并且在所述燃料电池的反应腔内直接执行稀释步骤。12.如权利要求9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。13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，原料混合物的浓度是己知的，并且其稀释值等于或低于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。14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述原料混合物的浓度是己知的，并且其稀释值等于或低于最大稀...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特法诺·卡沃利，
申请(专利权)人：斯特法诺·卡沃利，
类型：
国别省市：