CN112886035B - 燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法及***。本发明通过一氧化碳对质子交换膜燃料电池毒化影响的标定MAP图确定空气喷射量的前馈量，对燃料电池阳极入口处的气体成分进行检测，通过优化模型估计阳极催化剂表面的等效一氧化碳浓度，来修正所需要的空气喷射量，进而实现空气喷射量的精确控制，能够有效解决燃料电池的一氧化碳中毒问题，提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力，使燃料电池能够长期使用非纯氢作为燃料，有效降低燃料电池的用氢成本。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法及***。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有效率高，绿色环保，无噪声等优势，在车用动力、固定电源、家用热电联供等方面具有广阔的应用前景。氢气作为质子交换膜燃料电池的燃料，其存储、运输和分配较于传统液体燃料运输有诸多困难，使用甲醇等液体燃料重整制氢能够为上述应用场景下以及不便获得纯氢的地区提供便捷的氢气来源。此外，煤加工、石油炼制、氯碱工业等工业的废气中含有的大量非纯氢气，可以为质子交换膜燃料电池所利用，大大降低用氢成本。然而，在利用甲醇重整以及其他碳基燃料制氢时，其产物中不可避免地会含有少量的一氧化碳，一氧化碳会使阳极催化剂中毒，降低燃料电池的输出性能。铂基阳极催化剂的燃料电池能耐受的一氧化碳浓度极低，约为10ppmv，故而目前燃料电池需要使用高纯氢气作为燃料。而高纯氢目前主要依赖电解水生产，具有成本高，技术尚不成熟等劣势，利用工业副产氢或燃料重整能够提供来源丰富的非纯氢气，对氢气纯化的要求低，成本低廉且技术成熟。
在燃料电池利用非纯氢时，提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力十分必要。相关方法有，一，使用高温质子交换膜燃料电池；二，使用耐受一氧化碳的阳极催化剂，如PtRu/C催化剂；三，阳极催化剂及膜电极结构设计；四，向阳极气流中混入一定量的氧化剂，如空气、氧气、双氧水(H2O2)等，使得优先吸附在催化剂表面的一氧化碳被氧化掉，从而释放出所占据的活性位点，当使用空气作为氧化剂时，这一方法也称为Air bleeding。上述方法中，高温质子交换膜燃料电池目前存在寿命短、功率密度低、冷启动时间长等问题，二元或多元的新型耐受一氧化碳催化剂还存在寿命和性能等问题。使用阳极空气喷射的方法具有装置简便，高效等优点，能够高效恢复中毒的燃料电池的性能。但是，空气的混入量需要进行优化，否则，空气喷射量不足会导致燃料电池催化剂被一氧化碳毒化而失效，然而，过量的空气不仅会耗费氢气，还会由于剧烈反应产生局部热点和自由基，对燃料电池催化剂和质子交换膜产生不可逆的衰减，进而影响燃料电池的寿命。因此，如何确定出最优的空气喷射量是这一技术应用的关键。
发明内容
本发明的目的是提出一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法及***，通过阳极空气喷射方法提高燃料电池耐受一氧化碳的能力，使空气喷射量得到优化控制，以综合提高燃料电池在利用非纯氢时的输出性能。
本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量调控方法，包括：
从待控燃料电池中任意选取一个标定燃料电池，对标定燃料电池进行标定，得到燃料电池性能MAP图；
检测待控燃料电池的阳极入口处一氧化碳的浓度，记为cin，根据燃料电池性能MAP图，确定出待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair；
建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，求解该优化模型，得到燃料电池阳极催化剂表面上氢气、氧气和一氧化碳等物质的吸附占比；
使用燃料电池性能MAP图，建立在等效一氧化碳浓度cCO,equ下的空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，将与该曲线的峰值相对应的空气浓度作为对该待控燃料电池的前馈空气喷射量的修正，即最优反馈空气喷射量Δcair；
根据前馈空气喷射量cair和反馈空气喷射量Δcair，得到燃料电池阳极空气喷射流量为qH2×(cair+Δcair)，其中qH2为燃料电池***的氢气流量需求，实现对燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量的调控。
10、一种燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷***确调控***，其特征在于该调控***包括：包括制氢装置、气体缓冲室、燃料电池、压缩空气、空气喷射流量控制器和气体浓度传感器，所述的制氢装置、气体缓冲室和燃料电池通过管道相连，所述的压缩空气通过空气喷射流量控制器与气体缓冲室相连，所述的气体浓度传感器通过信号线与***控制板相连，燃料电池的阳极尾气从燃料电池阳极出口排出。
本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量调控方法和***，其优点是：
1、本发明通过一氧化碳对质子交换膜燃料电池毒化影响的标定MAP图，确定空气喷射量的前馈量，对燃料电池阳极入口处的气体成分进行检测，通过优化模型估计阳极催化剂表面的等效一氧化碳浓度，来修正所需要的空气喷射量，进而实现空气喷射量的精确控制，能够有效解决燃料电池的一氧化碳中毒问题，提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力，使燃料电池能够长期使用非纯氢作为燃料，有效降低燃料电池的用氢成本。
2、本发明可以得到利用非纯氢的燃料电池使用阳极空气喷射法改善燃料电池输出性能时所需要的最优空气喷射量，并能够通过对空气喷射量的精确控制，尽可能地恢复燃料电池的性能，在较低的一氧化碳浓度下，可以基本消除一氧化碳的毒化作用，燃料电池性能恢复到使用纯氢时的水平，可操作性强。精确的空气喷射量控制能够提高燃料电池对一氧化碳的耐受能力，在保证燃料电池性能输出的同时，也能够尽可能地降低空气喷射对燃料电池寿命的不利影响，使燃料电池能够长期使用非纯氢作为燃料。该方法能够广泛应用于使用非纯氢气作为燃料的燃料电池上。
附图说明
图1为本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法的流程框图。
图2为本发明方法的工作原理示意图。
图3为不同一氧化碳浓度和不同空气喷射浓度下的燃料电池性能MAP图。
图4为不同一氧化碳浓度与最优前馈空气喷射浓度之间的关系示意图。
图5为催化剂表面一氧化碳吸附占比和一氧化碳浓度关系示意图。
图6为本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷***确调控***结构框图。
图6中，1是制氢装置，2是气体缓冲室，3是燃料电池，4是阳极尾气出口，5是压缩空气，6是空气喷射流量控制器，7是气体浓度传感器。
具体实施方式
本发明提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量调控方法，包括：
从待控燃料电池中任意选取一个标定燃料电池，对标定燃料电池进行标定，得到燃料电池性能MAP图；
检测待控燃料电池的阳极入口处一氧化碳的浓度，记为cin，根据燃料电池性能MAP图，确定出待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair；
建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，求解该优化模型，得到燃料电池阳极催化剂表面上氢气、氧气和一氧化碳等物质的吸附占比，用来估计阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO；
在等效一氧化碳浓度cCO,equ下，使用燃料电池性能MAP图，将浓度为cCO,equ的曲线的峰值相对应的空气浓度作为对该待控燃料电池的前馈空气喷射量的修正，即最优反馈空气喷射量Δcair；
根据前馈空气喷射量cair和反馈空气喷射量Δcair，得到燃料电池阳极空气喷射流量为qH2×(cair+Δcair)，其中qH2为燃料电池***的氢气流量需求，由燃料电池***的工况得到，实现对燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量的调控。
本发明的上述调控方法中，所述的得到燃料电池性能MAP图的过程如下：
(1)向标定燃料电池的阳极入口处供应一氧化碳和氢气的混合气体，其中一氧化碳浓度为已知，同时，向标定燃料电池的阳极入口处喷射混入已知浓度的空气，设定一个标定电流密度icell，测定在该标定电流密度下标定燃料电池的电压，建立在已知一氧化碳浓度下空气浓度与标定燃料电池电压的关系曲线；
(2)改变步骤(1)中混合气体中一氧化碳的浓度，一氧化碳浓度从0(即此时供应的是纯氢气)开始增加，重复步骤(1)，得到一氧化碳浓度改变后的空气浓度与标定燃料电池的稳态电压的关系曲线；
(3)重复步骤(1)和步骤(2)，得到多个空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，多个空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线组成燃料电池性能MAP图。如图3所示，将MAP图中每条曲线电压峰值对应空气浓度cair与一氧化碳浓度对应起来，组成不同一氧化碳浓度与最优前馈空气喷射浓度之间的关系查表图，如图4所示。
根据燃料电池性能MAP图，得到一氧化碳的浓度为cin的空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，将与该曲线的峰值Vff相对应的空气浓度cair,该空气浓度记作前馈最优空气浓度cair，将该前馈最优空气浓度cair作为该待控燃料电池的前馈最优空气喷射量，当阳极入口处一氧化碳的浓度cin不能与燃料电池性能MAP图中的一氧化碳浓度相对应时，从与燃料电池性能MAP图中选取相邻的两条曲线的峰值相对应的空气浓度做插值计算，得到前馈最优空气浓度cair。其中，确定待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair，可以为：建立与MAP图中的每条曲线峰值相对应的最优空气喷射浓度与该条曲线所代表的一氧化碳浓度的关系曲线，如图4所示，对该关系曲线进行插值计算，得到前馈最优空气浓度cair。也可以为：建立与MAP图中的每条曲线峰值相对应的最优空气喷射浓度与该条曲线所代表的一氧化碳浓度的关系曲线，根据该关系曲线，利用拟合公式cair＝f(cin)，计算得到前馈最优空气浓度cair。该拟合公式为：cair＝a×ln(b×cin+1)+c×cin 2+d×cin，其中a、b、c、d分别为公式的拟和参数。在本发明的一个实施例中，参数选择范围是，a：0.8～1.5，b：0.1～1，c：1×10-6～2×10-6，d：0～-0.005。
本发明的上述调控方法中，所述的建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，该优化模型为：
θH,m＝f4(icell,Vstd,Vm) (4)
该模型计算燃料电池阳极催化剂表面上氢气、氧气和一氧化碳等物质的吸附占比，用来估计阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO。
其中，θH，θO，θCO分别代表燃料电池阳极催化剂表面上对氢气、氧气和一氧化碳的吸附占比，cH2，cO2，cCO分别代表进入燃料电池电堆的氢气、氧气和一氧化碳的气体浓度，icell为标定时燃料电池的电流密度，Vstd为通入纯氢时标定燃料电池在该空气喷射浓度、标定电流密度icell下的电压，Vm为待控燃料电池在空气喷射浓度为cair下的稳态电压，下标m表示待控燃料电池，θH,m为在电流密度为icell下待控燃料电池阳极催化剂表面氢气的吸附占比；
利用上述模型计算阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO的步骤如下，在标定电流密度icell下：
(1)测量待控燃料电池的稳态电压Vm，并将该Vm与标定燃料电池在该一氧化碳浓度下cin对应的标定曲线中的最优电压值Vff进行比较，若Vm≥Vff，则对前馈空气喷射量不进行反馈修正，即此时的Δcair＝0，Vm<Vff，则进行步骤(2)；
(2)将待控燃料电池的稳态电池电压Vm与通入纯氢时标定燃料电池在该空气喷射浓度下的电压Vstd，通过方程(4)计算此时催化剂表面氢气的吸附占比θH,m，并将该吸附占比θH,m带入方程(1)-(2)中，求解得到待控燃料电池的阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO,m；
(3)根据图5所示的催化剂表面一氧化碳吸附占比与一氧化碳浓度之间的关系，得到待控燃料电池的阳极催化剂表面的等效一氧化碳浓度cCO,equ。
本发明的上述调控方法中，所述的最优反馈空气喷射量Δcair的确定过程如下：
按照确定前馈空气喷射量的方法，使用燃料电池性能MAP图，查找出在等效一氧化碳浓度cCO,equ下的空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，将该曲线的峰值相对应的空气浓度作为对该待控燃料电池的前馈空气喷射量的修正，即最优反馈空气喷射量Δcair。
本发明的上述调控方法中，所述的燃料电池阳极空气喷射流量的确定过程如下：
精确控制的空气喷射量由两部分组成，分别是由标定MAP图得到的前馈空气喷射量cair和由优化模型估计并计算得到的最优反馈空气喷射量Δcair，阳极空气喷射流量为qH2×(cair+Δcair)，qH2为燃料电池***的氢气流量需求，该氢气流量需求可以根据燃料电池***的运行工况确定。
本发明提出的燃料电池耐一氧化碳的阳极空气喷***确调控***，其结构框图如图6所示，包括：包括制氢装置1、气体缓冲室2、燃料电池3、压缩空气5、空气喷射流量控制器6和气体浓度传感器7，所述的制氢装置1、气体缓冲室2和燃料电池3通过管道相连，所述的压缩空气5通过空气喷射流量控制器6与气体缓冲室2相连，所述的气体浓度传感器7通过信号线与***控制板相连，燃料电池的阳极尾气从燃料电池阳极出口4排出。
本发明方法中，在进行不同浓度下一氧化碳毒化燃料电池的MAP图标定实验时，确定出在非纯氢中含有不同浓度的一氧化碳时，需要混入的最优空气喷射量。
计算前馈量cair时，根据燃料电池阳极入口处的一氧化碳浓度cin，查询MAP图，确定空气喷射量的前馈值cair。对MAP图中没有标定的一氧化碳浓度，可以通过插值的方法得到。建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，该模型计算燃料电池阳极催化剂表面上氢气、氧气和一氧化碳等物质的吸附占比，用来估计阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO。根据催化剂表面一氧化碳吸附占比和一氧化碳浓度之间的关系，确定出催化剂表面的等效一氧化碳浓度cCO,equ。
下面结合附图详细说明本发明的实施方式。
本发明所提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法，其实施装置如图6所示，包括制氢装置1、气体缓冲室2、燃料电池3、压缩空气5、空气喷射流量控制器6和气体浓度传感器7等。
本发明所提出的燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷***确调控方法，其控制逻辑如图2所示，分三步进行：
步骤一：从待控燃料电池中任意选取一个标定燃料电池，对标定燃料电池进行标定，得到燃料电池性能MAP图。
步骤二：通过气体浓度传感器7采集燃料电池3阳极入口处的一氧化碳浓度cin，通过查MAP图确定最优前馈控制空气喷射浓度cair。
步骤三：建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，测量待控燃料电池稳态电压Vm，估计阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO，进行反馈控制，对前馈空气喷射量进行修正，得到最终的精确控制空气喷射量。
最后需要说明的是，应用本发明方法的***中，氢气的来源为含一氧化碳杂质的非纯氢气，具体为来源于甲醇或其他含碳燃料经过重整反应得到的气体，也可以是含有一氧化碳的工业副产氢。喷射空气只是用于氧化一氧化碳的一种氧化剂，也可以喷射氧气、双氧水等。更改所喷射的物质后，本方法依然能够适用。
这里所描述的配置是示例性的，且这些具体的实施示例不应被认为具有限制意义。本发明包括这里所公开的所有记载和非显而易见的各种***和方法的组合，以及其它特征、功能、和/或这里揭示的特性。
Claims (7)
1.一种燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量调控方法，其特征在于，该调控方法包括：
从待控燃料电池中任意选取一个标定燃料电池，对标定燃料电池进行标定，得到燃料电池性能MAP图，得到燃料电池性能MAP图的过程如下：
(1)向标定燃料电池的阳极入口处供应一氧化碳和氢气的混合气体，其中一氧化碳浓度为已知，同时，向标定燃料电池的阳极入口处喷射混入已知浓度的空气，设定一个标定电流密度icell，测定在该标定电流密度下标定燃料电池的电压，建立在已知一氧化碳浓度下空气浓度与标定燃料电池电压的关系曲线；
(2)改变步骤(1)中混合气体中一氧化碳的浓度，一氧化碳浓度从0开始增加，重复步骤(1)，得到一氧化碳浓度改变后的空气浓度与标定燃料电池的稳态电压的关系曲线；
(3)重复步骤(1)和步骤(2)，得到多个空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，多个空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线组成燃料电池性能MAP图；
检测待控燃料电池的阳极入口处一氧化碳的浓度，记为cin，根据燃料电池性能MAP图，确定出待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair；
建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，求解该优化模型，得到燃料电池阳极催化剂表面上氢气、氧气和一氧化碳的吸附占比，根据该催化剂表面一氧化碳吸附占比与一氧化碳浓度之间的关系，得到待控燃料电池的阳极催化剂表面的等效一氧化碳浓度cCO,equ；
使用燃料电池性能MAP图，建立在等效一氧化碳浓度cCO,equ下的空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，将与该曲线的峰值相对应的空气浓度作为对该待控燃料电池的前馈空气喷射量的修正，即最优反馈空气喷射量
根据前馈最优空气喷射浓度cair和最优反馈空气喷射量
得到燃料电池阳极空气喷射流量为
其中qH2为燃料电池***的氢气流量需求，由燃料电池***的工况得到，实现对燃料电池耐受一氧化碳的阳极空气喷射量的调控。
2.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于其中所述的确定待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair，具体过程如下：
根据燃料电池性能MAP图，得到一氧化碳的浓度为cin的空气浓度与标定燃料电池的电压的关系曲线，将与该曲线的峰值Vff相对应的空气浓度cair记作前馈最优空气喷射浓度cair，将该前馈最优空气喷射浓度cair作为该待控燃料电池的前馈最优空气喷射量，当阳极入口处一氧化碳的浓度cin不能与燃料电池性能MAP图中的一氧化碳浓度相对应时，从与燃料电池性能MAP图中选取相邻的两条曲线的峰值相对应的空气浓度做插值计算，得到前馈最优空气喷射浓度cair。
3.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于其中所述的确定待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair，具体过程如下：
建立与MAP图中的每条曲线峰值相对应的最优空气喷射浓度与该条曲线所代表的一氧化碳浓度的关系曲线，对该关系曲线进行插值计算，得到前馈最优空气喷射浓度cair。
4.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于其中所述的确定待控燃料电池的前馈最优空气喷射浓度cair，具体过程如下：
建立与MAP图中的每条曲线峰值相对应的最优空气喷射浓度与该条曲线所代表的一氧化碳浓度的关系曲线，根据该关系曲线，利用拟合公式cair＝f(cin)，计算得到前馈最优空气喷射浓度cair。
5.如权利要求4所述的调控方法，其特征在于其中所述的拟合公式为：cair＝a×ln(b×cin+1)+c×cin 2+d×cin，其中a、b、c、d分别为公式的拟和参数。
6.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于其中所述的建立燃料电池阳极气体吸附和反应的优化模型，该优化模型为：
θH,m＝f4(icell,Vstd,Vm) (8)
其中，θH，θO，θCO分别代表燃料电池阳极催化剂表面上对氢气、氧气和一氧化碳的吸附占比，cH2，cO2，cCO分别代表进入燃料电池电堆的氢气、氧气和一氧化碳的气体浓度，icell为标定时燃料电池的电流密度，Vstd为通入纯氢时标定燃料电池在该空气喷射浓度、标定电流密度icell下的电压，Vm为待控燃料电池在前馈最优空气喷射浓度为cair下的稳态电压，下标m表示待控燃料电池，θH,m为在电流密度为icell下待控燃料电池阳极催化剂表面氢气的吸附占比；
利用上述模型，计算阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO的步骤如下，在标定电流密度icell下：
(1)测量待控燃料电池的稳态电压Vm，并将该Vm与标定燃料电池在该一氧化碳浓度下cin对应的标定曲线中的最优电压值Vff进行比较，若Vm≥Vff，则对前馈空气喷射量不进行反馈修正，即此时的Δcair＝0，Vm<Vff，则进行步骤(2)；
(2)将待控燃料电池的稳态电池电压Vm与通入纯氢时标定燃料电池在该空气喷射浓度下的电压Vstd，通过方程(4)计算此时催化剂表面氢气的吸附占比θH,m，并将该吸附占比θH,m带入方程(1)-(2)中，求解得到待控燃料电池的阳极催化剂表面一氧化碳的吸附占比θCO,m。
7.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于其中所述的燃料电池阳极空气喷射流量的确定过程如下：
精确控制的空气喷射量由两部分组成，分别是由标定MAP图得到的前馈最优空气喷射浓度cair和由优化模型估计并计算得到的最优反馈空气喷射量Δcair，阳极空气喷射流量为qH2×(cair+Δcair)，qH2为燃料电池***的氢气流量需求。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1267435A2 (en) * | 1997-10-24 | 2002-12-18 | General Motors Corporation | Method of monitoring CO concentrations in hydrogen feed to a PEM fuel cell |
| CN1529921A (zh) * | 2001-03-06 | 2004-09-15 | ŦΤ��ȼ�ϵ��ŷ���������ι�˾ | 对供给有含氢和氧化碳气体的燃料电池进行操作的方法以及与其有关的装置 |
| CN101378130A (zh) * | 2007-08-29 | 2009-03-04 | 株式会社东芝 | 驱动燃料电池装置的方法 |
| CN110176609A (zh) * | 2019-06-30 | 2019-08-27 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃料电池发动机的供气***与一种燃料电池车辆 |
| CN111540934A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-08-14 | 张翼翔 | 一种消除燃料电池阳极中毒的方法 |
| US20200328445A1 (en) * | 2019-04-12 | 2020-10-15 | Bloom Energy Corporation | Solid oxide fuel cell system with hydrogen pumping cell with carbon monoxide tolerant anodes and integrated shift reactor |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1267435A2 (en) * | 1997-10-24 | 2002-12-18 | General Motors Corporation | Method of monitoring CO concentrations in hydrogen feed to a PEM fuel cell |
| CN1529921A (zh) * | 2001-03-06 | 2004-09-15 | ŦΤ��ȼ�ϵ��ŷ���������ι�˾ | 对供给有含氢和氧化碳气体的燃料电池进行操作的方法以及与其有关的装置 |
| CN101378130A (zh) * | 2007-08-29 | 2009-03-04 | 株式会社东芝 | 驱动燃料电池装置的方法 |
| US20200328445A1 (en) * | 2019-04-12 | 2020-10-15 | Bloom Energy Corporation | Solid oxide fuel cell system with hydrogen pumping cell with carbon monoxide tolerant anodes and integrated shift reactor |
| CN110176609A (zh) * | 2019-06-30 | 2019-08-27 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃料电池发动机的供气***与一种燃料电池车辆 |
| CN111540934A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-08-14 | 张翼翔 | 一种消除燃料电池阳极中毒的方法 |
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