[發明專利]多次注入燃料電池及其操作方法

無效

• 申請號: 201280028196.4
• 申請日: 2012-05-02
• 公開（公告）號: CN103636045A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: J-P·普瓦羅-克魯弗齊耶
• 申請（專利權）人: 原子能和輔助替代能源委員會
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/24;H01M8/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 韓宏;陳松濤

技術領域

本發明涉及燃料電池組，并尤其涉及氫燃料電池組。

背景技術

燃料電池組是反應物之間發生電化學反應的基本電池堆，該反應物隨著反應對它們的消耗而逐漸被引入。在氫燃料電池組的情況下作為氫的燃料與陽極接觸；用于氫燃料電池組的氧化劑、氧氣或空氣與陰極接觸。陽極和陰極由可以是固體膜的電解質分隔開，該固體膜對某些但并非全部反應的成分具有可滲透性。反應被細分成兩個半反應（氧化及還原），這兩個反應一方面發生在陽極/電解質的界面，而另一方面發生在陰極/電解質的界面。在實踐中，固體電解質是對氫離子H⁺具有可滲透性但對二氫分子H₂或電子沒有可滲透性的膜。在陽極的還原反應是產生H⁺離子及電子的氫的氧化，其中，H⁺離子能通過膜，而電子由陽極收集；在陰極這些離子參與氧的還原，從而需要電子并產生水，還釋放出熱。

電池堆只是反應的位置：必須向其提供反應物，并且產物及非反應性物類必須從其排出，正如產生的熱一樣。最后，電池彼此串聯連接，一個電池的陽極連接到相鄰電池的陰極；在電池堆的兩端，在一側陽極連接到負端子，以便排出電子，而在另一側陰極連接到正端子。外部電路連接到這些端子。隨著電化學反應的進行，電子經由外部電路從陽極流向陰極，從而由電池組來供電。

燃料電池組可以被分為多個堆，每個堆具有用于提供反應流體和冷卻劑的電端子及接口；然后從流體的角度及電的角度，這些子組件并聯或串聯連接。關于流體連接，并聯是到目前為止最經常遇到的。

在使用氫及大氣作為反應物的系統中，壓縮空氣被輸送到電池組，并在陰極側滲入到電池組中之前通過一系列部件（過濾器、換熱器、增濕器，等等）。在陰極出口，通常將空氣干燥以回收加濕所必需的水，然后大部分水經常經由允許保持線路壓力的背壓調節器（即，上游壓力的調節器）來進行排出。在陽極側，可以從大量不同的源（例如加壓罐）中獲得氫，從而能夠避免依賴用于壓縮氣體的設備。因此，在經過在線路中施加預期壓力的簡單減壓閥或電磁閥之后，氫常常被傳送到電池組。大多數這些可能的源都輸送干燥的氫。

在電池出口，具有多種可能的情況：可以部分地將注入到電池組但未由反應消耗的氫而與來自源的干燥氫一起再次注入電池組入口，以便使電池組中的混合物均質化，即，為了將其與不參與反應并反而傾向于抑制反應的反應產物及存在的非反應性種類（尤其是氮，經由穿過膜的滲透來自陰極）混合；另外，這種再循環能夠使到達電池的氫保持一定濕度；具體來說，在反應產物中，水蒸汽與未消耗的氫混合，且這種水蒸汽與氫再循環；對于電解質膜，為了使氫有較低活躍性，加濕是期望的。然而，實現該回注的再循環系統既復雜又昂貴。

可替換地，可以定期吹洗（purge）電池，以排出反應的產物，尤其是氮。然而，等到電池中存在過多的氮再吹洗是不可能的，這是因為電化學反應會停止。在不同時吹洗一定量氫的情況下無法進行吹洗已成為阻礙的產物；因為氫的成本，這是不利的損失，并期望最小化這樣被吹洗的氫的數量。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種系統，該系統能夠減少在吹洗期間反應物（尤其是氫氣）的損耗，而不需要復雜的再循環系統。

根據本發明，提供了一種通過在至少兩種反應物之間的電化學反應產生電功率的燃料電池組，所述電池組包括至少一個電池堆，每個電池都由電解質、陽極和陰極的組件構成，所述堆設置有供應至少一種反應物的裝置和用于排出反應副產物的裝置，該裝置能夠向所述堆中的電池輸送該反應物，其特征在于：

-所述電池組的電池被分成N組，N為整數>1，并且用于供應反應物的裝置包括用于給每組電池供應的相應供應歧管，該歧管能夠向一組電池選擇性地輸送反應物，而并不將其輸送到其它組電池，

-所述供應裝置包括選擇性開關裝置，其用于許可和防止反應物通過到達每個歧管，

-所述排出裝置包括一個或多個排出歧管，該排出歧管被布置為允許未由反應消耗的反應物在N組電池之間流動，且該排出歧管包括吹洗閥。

各組電池優選在同一堆中以交錯方式來堆疊，也就是說，在同一堆中的一組電池與另一組電池相鄰。還可以設想對于要由多個堆形成的電池組，每個堆都對應于相應組的電池，但這種配置會不太有利，因為它不太緊湊。

穿過電池堆的排出歧管優選是公共的，即，所有組電池都直接與該歧管連通；然而，也可以為每個組提供單獨的歧管；然后可以將它們連接到該堆的出口，以便確保從一組自由流動到另一組。