专利名称：采用阴极循环回路的燃料电池的关闭和启动的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及运行燃料电池系统，更具体而言，本发明涉及以如下方式启动和关闭燃料电池，以使催化剂载体材料的氧化减至最少并保持系统的简单性。
背景技术：
使用催化剂来促进燃料电池中氢与氧之间的电化学反应是已公知的。催化剂一般以分布在载体上的贵金属粉末的形式存在，所述载体本身是更大的碳或者碳基颗粒的粉末。这种基于粉末的方法能够显著增大能够发生上述反应的表面积。尽管这样的构造提供了一种高效、紧凑的反应器，所述反应器通过将相对昂贵的催化剂(比如铂)涂布在较大面积上导致功率输出得到显著提高，同时降低了原材料成本，但是，其功效可能会受到一定的操作模式的限制。比如，即使当减少或者停止对燃料电池中产生的电流的需求时，残留的氧与氢反应物继续产生开路电压(一般大约0.9V或者更高)，所述开路电压可能会导致催化剂和催化剂载体产生氧化，由此缩短了燃料电池的寿命。更令人关注的是，在燃料电池的一个电极(比如阳极)上存在氢-空气界面，而空气存在于另一个电极(比如阴极)上，这将导致产生1-4V到1.8V之间的电位。这种增高的电位加重了上面提到的催化剂和催化剂载体材料的腐蚀。这种情况可能发生在启动(当空气被氢吹扫清除时)以及在关闭(当空气进入阳极而氢被跨界(cross-over)消耗时)期间。与发生在这些瞬态之间的相对稳态运行相比，本发明人已经发现了该运行瞬态，尤其是重复进行的系统的启动和关闭，更快地缩短了燃料电池堆的寿命。
一种减轻残留燃料和氧化剂问题的方法是在电池关闭后立即注入惰性气体以对阳极流动通路和阴极流动通路进行吹扫。该方法可以通过，比如向阳极流动通路和阴极流动通路中注入车载氮气而实现。但是，这尤其是对于许多基于车辆的燃料电池系统而言是不利的，这是由于车载附加气体氮的供应装置将占据需要牺牲可以用于乘客的宝贵的车辆空间、舒适性或者安全性。另一种方法是将空气引入阳极流动通路以使空气可与残留的氢发生反应。通过使这一混合物进行再循环，氢可以被点燃或者进行催化反应直到基本不存在。通过这种方法，不需要车载氮吹扫气体。但是，该系统的不利之处在于需要复杂的系统元件构成，包括连接到与精确的控制机构连接在一起的复杂的阀网络上的附加泵。因此，需要一种能够不必采用需要明显增加重量、体积或者复杂性等方法就可以进行启动和关闭的燃料电池系统。
发明内容
本发明可以满足这些需要，在本发明中公开了一种燃料电池系统和一种操作这一系统的方法，所述方法可以避免运行瞬态对系统元件造成有害影响。根据本发明的第一个方面，公开了一种关闭燃料电池系统的方法。该燃料电池系统包括至少一个燃料电池，所述燃料电池至少包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的膜，此外还包括连接阳极和燃料源的阳极流动通路、连接阴极和氧源的阴极流动通路，和可以将吹扫流体引入阳极的吹扫阀。上述流动通路可包括设置在燃料电池内部或者周边的对流体流动而言必要的支持设备，包括管道系统和相关的导管。阀(除上面提到的吹扫阀之外)、泵和相关的元件尽管也构成了流动通路的一部分，将会单独进行讨论以更清楚地识别它们在相应流动通路中的作用。在本系统中，在阴极流动通路中形成循环回路，并且结合阴极流动通路与阳极流动通路之间的连通性，提供一种不在与未经稀释的纯化学计量的燃烧相关联的高温下产生惰性气体的装置。尽管可以从本发明获益的一种燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池，但是，本领域的技术人员应该意识到使用其它燃料电池构造也在本发明的范围内。通过以下步骤进行本操作断开所述燃料源与所述阳极的连接，以使燃料流被切断；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路，以使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述燃料电池的电压降低(比如由于再循环流体变为基本上是氧消耗净的)；断开所述循环回路与所述燃料源的连接以中断所述燃料向其进行流动；以及将吹扫流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。术语“氧源”以及其变型应该作广义理解，包括被构造用以提供氧或者大量含氧化合物、混合物等的任何装置、容器或者环境(包括室温环境)。电压的降低(可以采用任何常规方法进行测量)可以实现更简单的系统构造和操作。比如，通过在瞬态运行状态的开始在一个电极上形成降低的电压，可以减少或者消除持续进行或者正在进行的惰化，这是因为更低的电压水平可与空气吹扫相容。
可选择地，可使用压力源(比如空气压缩机)对容纳在循环回路中的流体进行加压。优选地，吹扫阀设置在阴极的上游以使吹扫流体(其可以是氧基本耗尽的流体和空气中的一种或者两种)在所述阴极流动通路中从所述阴极上游引流至所述氧源下游。在吹扫流体包括两种时，在与阴极流动通路重合的循环回路部分上传输的有限量的氧基本耗尽的流体之后，伴随有可以从氧源供应的更大量的空气。阴极上游设置吹扫阀可以使来自氧源的空气能够吹扫阳极，而不必使用大量的通过燃料和氧之间的反应所产生的氧基本耗尽的流体。这可以使系统的操作更简单，并降低了对燃料-氧反应产生的惰化流体的依赖性。
在一种特别的形式中，再循环进一步包括关闭阴极出口阀并打开阴极流动通路再循环阀，两者皆设置在循环回路中。此外，将空气或者氧基本耗尽的流体中的至少一种通过吹扫阀引入阳极的步骤包括在将空气引入阳极之后将氧基本耗尽的流体引入阳极。为了实现这一目的，吹扫阀被设置在循环回路与阳极流动通路之间，并且更具体而言被设置在吹扫阀与阴极上游的循环回路流体相连之处。可以通过调节流体连接阳极流动通路和阴极流动通路的燃料惰化阀实现将燃料引入循环回路。将氧基本耗尽的流体和空气引入阳极的步骤通过关闭燃料惰化阀和打开吹扫阀而实现。
在另一种选择中，可以调节引入循环回路中的燃料量以保持再循环流体中预定的燃料-氧混合比。调节燃料量的步骤包括感应存在于循环回路中的氧含量，并调节将阳极流动通路与循环回路流体相连的燃料惰化阀。在一种形式中，燃料是富氢的，并且可以是甲醇、氢气、甲烷、汽油或者相似的含氢燃料。在一种形式中，氧源提供空气。此外，反应是在有催化剂存在的条件下发生的。催化剂可以设置在阴极上，也可以设置在与阴极流动通路流体相连的燃烧器中。在包括燃烧器的情况下，冷却器可以设置在燃烧器和至少一个燃料电池之间。在一种特别的形式中，通过关闭燃料供应阀断开阳极与燃料源的连接。
根据本发明的另一个方面，公开了一种关闭燃料电池系统的方法。如前面所述，该燃料电池系统中包括至少一个燃料电池，所述燃料电池至少包括阳极、阴极、设置在阳极和阴极之间的膜，此外还包括连接阳极和燃料源的阳极流动通路和连接阴极和氧源的阴极流动通路。此外，该燃料电池系统还包括被构造用以在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间形成流体连通的多个阀，以及连接至空气源的压力源和促使燃料与空气反应的装置。本发明的方法包括以下步骤断开所述燃料源与所述阳极的连接；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路，以使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述燃料电池的电压降低；断开所述循环回路与所述燃料源的连接以中断所述燃料的流动；在将来自至少阴极流动通路一部分的氧耗尽流体引入阳极流动通路之后引入空气，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于其中的所有流体。
根据本发明的又一个方面，公开了一种启动燃料电池系统的方法。系统中的元件包括至少一个燃料电池、阳极流动通路、阴极流动通路以及吹扫阀，全如上面所述。该方法中的步骤包括通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环，将燃料引入所述循环回路，使所述燃料与装置中的再循环流体进行反应直到测得的穿过所述燃料电池的电压达到预定水平，断开所述循环回路与所述燃料源的连接以中断所述燃料向其进行流动，向阳极充注燃料并向阴极引入空气以使至少一个燃料电池开始操作。
可选择地，在循环回路中氧基本耗尽的流体的存在在整个燃料电池中产生(至少是暂时的)负电压，因为过剩的氢可能出现在阴极，而空气出现在阳极上。可以通过打开设置在阳极流动通路内的燃料供应阀来实现向阳极充注燃料。向阴极引入空气的步骤包括打开设置在循环回路中的背压阀。同样地，向阴极引入空气的步骤进一步包括调节设置在循环回路中的再循环阀，同时从氧源向阳极释放流体可以用来促使低温启动，或者从燃料源向阴极释放流体来促使低温启动。此外，燃料电池系统可包括多个被构造用以在阳极流动通路与阴极流动通路之间形成流体连通的阀，以及与空气源连接的压力源和促使燃料和空气反应的装置。可选择的步骤可包括布置一个或者多个设置在循环回路中的阀以使由压力源增压的流体能够再循环通过所述回路。布置燃料惰化阀以使燃料可从燃料源引入阴极流动通路，使燃料与再循环流体进行反应直到再循环流体变为基本上是氧耗尽的，关闭惰化阀以断开燃料源与阴极流动通路的连接，打开燃料供应阀向阳极充注燃料并且向阴极引入空气，使得至少一个燃料电池能够开始工作。
根据本发明的又一个方面，公开了一种包括至少一个燃料电池的装置。燃料电池包括阳极、阴极和设置在该阳极和阴极之间的膜。该装置还包括阳极流动通路、阴极流动通路以及多个被构造用以在阳极流动通路与阴极流动通路之间形成流体连通的阀，所述元件均如以上所述。多个阀包括设置在所述燃料源和所述阳极之间的燃料供应阀；至少一个设置在所述循环回路内以选择性地允许流体在回路中进行再循环的阀；燃料惰化阀和吹扫阀。如前面所述，在阴极上游设置吹扫阀可以使用来自氧源的空气吹扫阳极，而不必使用大量在燃料和氧反应中产生的氧基本耗尽的流体。该装置还包括被构造用以促进燃料和氧之间的反应的反应器。该装置还进一步包括被构造用以获取由燃料电池系统产生的电力并将其转换为促动功率的功率转换机构，并可以进一步包括被构造用以容纳燃料电池系统和功率转换机构的运载工具。运载工具(可以是汽车、卡车、摩托车、飞机或者船只)响应于功率转换机构中产生的促动功率可进行移动。
根据本发明的另一个方面，公开了一种瞬态运行燃料电池系统的方法。在本发明上下文中，瞬态运行方法包括启动该系统的第一模式，和关闭该系统的第二模式。该方法包括以上面提到的方式之一构造该系统，从上面提到的两种瞬态运行模式中选择一种，通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环，使所述燃料与再循环流体进行反应直到燃料电池的电压降至预定水平，中断反应并将燃流体引入阳极或阴极中的至少一个中，以基本吹扫除去先前残留在相应电极中的所有流体。
附加的可选择步骤可包括在阳极吹扫流动通路中设置吹扫阀，以实现循环回路与阳极之间的选择性连接。除了吹扫阀之外，该系统优选包括多个如上所述的阀。在另一种选择中，将流体引入阳极或者阴极中的至少一个的步骤包括在空气之后顺序地引入氧基本耗尽的流体。相似地，通过关闭燃料惰化阀可以实现反应中断。对于启动步骤，该选择包括选择第一工作模式。此外，在反应中断之后阳极可以充注燃料，而一旦阳极已经充注满燃料时，空气流过阴极。该最后步骤可以通过停止循环回路(通过比如合适地操纵先前描述的阴极出口阀或者阴极流动通路再循环阀中的一个或者两个)来实现。对于关闭步骤，可以在通过循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环之前断开阳极与燃料源的连接。此外，一旦阳极被充分吹扫后停止流体流动通过阴极流动通路。如以前讨论的，用于吹扫阳极或者阴极的流体可以是空气，在循环回路中发生的反应所产生的惰性气体，或者两者皆有。当用于进行吹扫的流体为空气时，它可以从阴极流动通路引入阳极流动通路。
结合以下附图可以更好地理解下文中对本发明的详细描述，在附图中使用相似的附图标记表示相似的结构，其中图1A示出了为车辆应用构造的燃料电池系统的框图；图1B示出了图1A所示系统中的典型的燃料电池；图1C示出了在图1B所示燃料电池的阳极和膜之间的区域的放大图，图中重点示出了载体上催化剂的布置，其中所述催化剂被用以促进燃料的离子化；图2A示出了根据本发明的一个方面的燃料电池系统的框图；图2B示出了图2A所示系统的一种变型；图2C示出了图2A所示系统的一种变型，其中吹扫阀被设置在阴极的上游；图3示出了使用图2A或者图2B所示的燃料电池系统的车辆；和图4示出了在燃料电池运行瞬态(operational transient)期间经过燃料电池的多种电子和质子的流动通路以及流体状态。
具体实施例方式
首先参照图1A，框图中重点示出了根据本发明的移动式燃料电池系统1的主要部件。该系统包括燃料传输系统100(包括燃料源100A和氧源100B)、燃料处理系统200、燃料电池300、一个或者多个能量储存装置400、传动列500以及一个或者多个促动装置600，象征性地显示为轮子。尽管图中示出本系统1用于移动式应用(比如车辆)，但是，本领域的技术人员应该会意识到燃料电池300和其辅助设备同样可适用于固定应用中。同样，本领域的技术人员还会意识到可以使用其它燃料传输和燃料处理系统。比如，除了燃料源100A和氧源100B之外，还可能存在水源(未示出)。同样地，在一些已存在基本得到净化的燃料的变型中，可不需要燃料处理系统200。能量储存装置400可以一个或者多个蓄电池、电容器、电流转换器，或者甚至是马达的形式存在，从而将来自燃料电池300的电流转化为诸如旋转轴功率等机械功率，用以操作传动列500和一个或者多个促动装置600。可结合燃料处理系统200用以将原燃料比如甲醇转化为在燃料电池300中使用的氢或者富氢的燃料；要不然，在燃料源100A已提供基本纯的氢的构造中，可以不需要燃料处理系统200。燃料电池300包括阳极310、阴极330、以及设置在阳极310和阴极330之间的电解质层320。尽管图中仅示出了一个燃料电池300，但是本领域的技术人员应会意识到燃料电池系统1(尤其是那些用于车辆和相关应用中的燃料电池系统)可包括由这样的电池串联连接在一起的电池堆。
下面参见图1B和图1C，阳极310包括与流动通道316相连的电极基体312和催化剂层314。阴极330包括与流动通道336相连的电极基体332和催化剂层334。流动通道316、336形成阳极流动通路和阴极流动通路(在下文中对二者进行描述)与相应的阳极和阴极相接触的部分。优选地，电极基体312、332是多孔的，从而允许燃料和氧的扩散以及燃料一氧反应形成的产物水的流动。催化剂层314由分散在载体314B表面上的催化剂314A构成。当前显示为质子交换膜的电解质层320设置在每个阳极310和阴极330之间，从而允许电离氢从阳极310流动至阴极330，同时阻止电流通过。燃料(一般为气体氢的形式)通过流动通道316，允许燃料扩散通过电极基体312，而与催化剂314A接触，通过所述催化剂，被认为是分解吸附反应的氢燃料的电化学氧化得以进行。催化剂314A促进了这一反应，催化剂典型地以分散在一般为碳基的载体314B表面上的贵金属(比如铂)的细小颗粒的形式存在。然后，在阳极310产生的带正电的氢离子(质子)通过电解质320与在阴极330产生的带负电的氧离子发生反应。释放出的电子流形成了通过负载400的电流，以使马达或者是相关的电流响应装置可进行旋转。图中示出以上面讨论的能量储存装置的形式存在的负载400实现了在燃料电池300的阳极和阴极之间的电通路。可包括附加泵(未示出)以将否则聚集起来有可能堵塞多孔通路的水从电极基体312、332上除去。
接下来参照图2A，2B和2C，框图中示出了本系统的多个变型，所述变型被构造用以减小燃料电池300中氢一氧界面。阳极流体通路340通过燃料供应阀342使燃料源100A与阳极310流体相连。氧源100B与阴极流动通路350流体相连以使氧能够流动通过阴极330。如在三个图中特别示出，循环回路352被设置在阴极流动通路350中以使在氢和氧反应中产生的吹扫流体(比如富氮气体)进行再循环。除了通过消耗氧促进吹扫流体的形成，循环回路352促进多个电池之间的电压均匀性。循环回路352包括压力源360、燃烧器370、氧传感器380和冷却器390，所有这些元件皆流体相连，以帮助多种流体在运行瞬态期间反复通过阴极330，使得通过适当的催化或者燃烧反应可减少特定物质。尽管图中仅示出了一个冷却器390(可为热交换器的形式)，但是本领域的技术人员应该理解可以使用附加的冷却器，以及其它用于设置冷却器390的位置。通过再循环氢、氧和产生的吹扫流体(总地来说，再循环流体)通过冷却器390多次，产生较小的温升，由此减小了系统的热负荷。阴极出口阀354设置在阴极330的下游用以控制阴极330的排出口与循环回路352之间的流体流动，而阴极流动通路再循环阀356允许选择性地引入在阴极330上游循环的流体。优选地，压力源360为空气压缩机。不需要在运行瞬态期间(比如在启动或关闭过程中)关闭氧源100B，这是因为由于阴极出口阀354关闭而存在的冒口(dead head)使附加的空气不会流入循环回路352而造成的。通过燃料惰化阀344和吹扫阀346而在阳极流动通路340和阴极流动通路350之间形成流体连通，所述两个阀可以独立或者一前一后进行致动从而在流动通路340、350之间实现所需的流体流动。
另一个可以被结合到本发明系统中的特征是设置在循环回路352中用以燃烧过剩燃料的燃烧器370(也被称为燃烧室)。尽管只要两种反应物质都存在于循环回路352中，在阴极330上就会持续发生氢和氧之间的催化反应，燃烧室370的燃烧过程可通过更快地消耗燃料而加速系统的瞬态操作，以及减小产生阴极过热的可能性。为了进一步加速所述反应，可使用多个燃烧器而不是单个燃烧器。优选地，同时使用燃烧器370和在阴极330上的催化反应，以组合出除氢速度和完全性的最佳特性。在一个附加的特征中，燃烧器370可包括设置在其中的催化元件以进一步使氢和空气中的氧进行反应。在这种情况下，可对燃烧器元件(未示出)进行催化涂覆和电加热。在任一种构造中，可反应物质的迅速和完全的去除是有利的，这是因为这样可以允许进行快速启动并且最小化前面提到的过剩的关闭能量水平，否则可能作为在阳极上形成氢-空气界面的结果而产生。在这样例子中，没有本发明的系统，将产生过量的电压电位而使载体314B受到损害。
燃料电池系统1的工作状态至少包括系统产生电能的第一工作状态，系统不产生电能的第二工作状态，和瞬时处于第一工作状态和第二工作状态之间的第三工作状态。这种瞬态运行包括那些系统功率输出发生变化的运行期间。与本发明特别有关的两个时间的这种操作是在系统启动和关闭的过程中。因而，瞬态运行与稳态运行不同，在稳态运行时，系统输出基本是恒定的。
特别参见图2A和2B，燃料电池系统1的关闭顺序优选从关闭燃料供应阀342开始，从而停止燃料向阳极310的流动。接着关闭阴极出口阀354，同时打开阴极流动通路再循环阀356，以驱使排出阴极330的流体进入循环回路352。此外，压力源360(比如空气压缩机)工作以促使流体流动通过循环回路352。需要循环回路352以使流体移动通过燃烧器370或阴极330，从而使得空气与燃料混合并在合适的催化剂上发生反应。在流体再循环期间可以调节燃料惰化阀344，从而向再循环流体中引入氢，由此与仍然存在于其中的所有氧进行反应。燃料电池电压的降低(可以采用常规手段测出)可作为阴极惰化的指示。氧传感器380可被用以追踪记录仍然存在于循环回路352中的氧。在下面讨论的有必要进行持续吹扫的情况下，氧传感器380可被用以保持氢与氧之间的化学计量比。特别如图2A所示，所述反应可以发生在燃烧器370中的催化剂上，此后，在将其引入阴极330之前，通过使流体流动通过热交换器(以冷却器390的形式存在)可以减少由燃烧过程在流体中产生的过剩热量。这样的冷却器可具有双重作用，该冷却器还可用于冷却排出空气压缩机的空气。另一种可选的构造，如图2B所示，允许反应可以发生在阴极330的催化剂上。这一变型体现出更简单的部件布置，有可能取消对分离的燃烧室和相关联的冷却机构的需要。
根据所需的反应速度，可以使用一种构造或者两种构造的组合。在以上任何一种构造中，一旦再循环流体中的氧被消耗，则打开吹扫阀346以使阳极流动通路340和阴极流动通路350流体连通。这样允许当前的流体(现在基本不含氧)进入循环回路352以吹扫阳极310的残留燃料和其它流体。在向阴极提供氧的流体是空气的情况下，可以理解的是一旦氧被基本除去之后，剩余流体将几乎专门包括氮以及微量其它气体。由于氮是惰性的，其存在确保了吹扫阳极和阴极的合适的良性流体。此外，如果需要，氮自身可以很容易地被吹扫去除。优选地，吹扫流体从阴极330出口抽出，以利用阴极330的全部空间进行吹扫。尽管通常的情况是，燃料电池内阴极的流体容量大于阳极的流体容量，但是存在着阳极需要附加的吹扫流体的情况。在这样的情况下，可以对通过燃料惰化阀344进入阴极回路350中的燃料流量进行调节，以使阴极流动通路350中的燃料与氧之间保持基本的化学计量比。可以包括一个基于反馈的控制器(未示出)，并且其基于氧传感器380传输的信号，可用于在通过循环回路352的流体中保持所需的燃料-氧混合比。测得的燃料电池电压还可以用于在燃油空气混合比偏离优选值时发出信号，并且可被用来调节该比值，将其保持在所需范围内，这是因为燃料电池的电压在空气过剩的条件下将会增加。一旦氢已经从阳极310上吹扫除去，可以使用空气(或者如果需要可使用其它流体)对阳极进行吹扫。在这种情况下，关闭燃料惰化阀344，使循环回路352中已受到压力源360加压的流体通过吹扫阀346流入阳极310。这一最后步骤确保在燃料电池300的非活性期间，在阳极310和阴极330上都存在有空气。
燃料电池系统1的启动顺序包括关闭阴极出口阀354，同时打开阴极流动通路再循环阀356以驱使流体排出阴极330进入循环回路352中。如前面提到的关闭顺序的情况一样，压力源360工作以促使流体流动通过循环回路352。在流体再循环期间可以调节燃料惰化阀344，以允许将氢引入循环流体中，由此与仍然存在于其中的所有氧进行反应。如前所述，所述反应可在如图2A和图2B所示任一实施例的装置中在燃烧室370中的催化剂上发生、在阴极330上发生、或者在两者上发生。打开吹扫阀346使阳极流动通路340和阴极流体通路350流体连通。这样允许当前的流体(现在基本不含氧)进入循环回路352以吹扫阳极310的残留空气和其它流体。优选地，吹扫流体从阴极330出口抽出，以利用阴极330的全部空间进行吹扫。同样如前所述，可以对通过燃料惰化阀344进入阴极回路350中的燃料流量进行调节，以使阴极流动通路350中的燃料与氧之间保持基本的化学计量比。可以包括一个基于反馈的控制器(未示出)，并且其基于氧传感器380传输的信号，可用于在通过循环回路352的流体中保持所需的燃料-氧混合比。一旦氧已经从阳极310上吹扫除去，接着向阳极充注氢开始正常工作。在这时(即使不是在之前)，关闭燃料惰化阀344和吹扫阀346，同时打开燃料供应阀342。在正常工作期间，可以与如上所述相似的方式调节燃料的流量，包括使用控制器。通过打开吹扫阀346使空气流入阳极310。相似地，可通过打开燃料惰化阀344使氢流入阴极330，由此提供附加加热，在当燃料电池暴露于低温环境中时有助于启动。
特别参见图2C，燃料电池系统1的关闭顺序与上面结合图2A和2B所讨论的关闭顺序稍有不同。尽管全部三个构造的关闭，都是从关闭燃料供应阀342以停止燃料向阳极310的流动开始，接着通过关闭阴极出口阀354同时打开阴极流动通路循环阀356，使阴极流动通路气体进行再循环，然后消耗循环回路352中的过剩氧，图2C所示构造的独特特征改变了燃料电池300关闭的方式。比如，如图中所示的位于阴极330上游的吹扫阀346的布置(通过对连接阳极流动通路340和阴极流动通路350的阀进行适当操作)将空气引入阳极310作为吹扫流体而不需要通过阴极330。这可以是有利的，因为由于空气被泵送通过压缩机360，而不必进行反应(与由燃烧器370或者阴极330中的燃料和空气的反应产生的惰化流体不同)，由此简化了操作，因为要不然反应所需的燃料消耗下降，不需要进行控制器380的监控和反馈。这一系统操作的理论基础是基于这种认识，即由于阴极330受到惰化(随后将结合图4进行更详细的描述)而导致燃料电池电压的降低，允许阳极310可以用空气进行吹扫而不产生当阳极由空气进行吹扫时由正常开路电压产生的高电极电位。阴极330的惰化应该理解为包括允许足够的氢进入阴极330也与吸附在阴极330催化剂上的所有氧进行反应。一旦阳极板和阴极板之间测得的电压低于预定水平(比如0.4V)，则不需要进行额外的惰化。相应地，降低了对惰化流体生成和分布的依赖性，这使图2C所示的系统区别于其它两个系统。在这方面，一旦在循环回路352中产生的流体使测得的电压降低至通常与存在氧基本耗尽的惰化流体的情况的相一致的所需水平，图2C所示的燃料惰化阀可以关闭。可以理解的是，尽管减少了在图2C的系统中惰化流体的使用，但是并不是完全不使用，这是因为在与图2A、2B相似的方式进行的再循环过程中，它对于通过从阴极330中除去氧来降低开路电压而言仍然是有用的。
如与在前面段落中讨论的燃料电池系统1的关闭顺序相似地，图2C所示系统的启动顺序允许引入空气吹扫，而不再继续需要惰化流体。在所示三个系统中存在相似性，其中在所有三个构造中，设置在阴极流动通路350中的流体再循环通过循环回路352，之后将燃料引入并使其与再循环流体发生反应直到再循环流体变为氧基本耗尽的流体。此外，所有三个系统都具有负的电池电压，这是因为有时在循环回路352中发生氧消耗的过程中，在阴极330中存在燃料(氢)，同时在阳极310中存在氧(剩余的，比如由于此前提到的关闭步骤产生的)。如在前面讨论的，在阴极330上游设置吹扫阀346有利于进行空气吹扫，在向阳极310充注燃料后，图2C所示系统的正常操作可以通过向阴极330中引入空气而开始，从而使得阳极310中的燃料能够穿过膜320并进入阴极330中以完成与设置在其中的氧的反应。
接下来结合图1，参照图3，图中示出了结合了根据本发明的燃料电池系统的车辆。燃料电池300与燃料供应装置100A流体相连。尽管图中所示车辆为汽车，但是本领域的技术人员应该理解在其它车辆形式中的燃料电池系统的应用也落入本发明的范围内。
下面参照图4，图中示出了燃料电池在瞬态条件下，比如启动和关闭期间，电压是如何变动的。由于燃料电池300的工作条件发生变化，因此在阳极310和阴极330中的流体组成发生变化。比如，在稳态运行期间，阳极310具有相对恒定的燃料(通常以氢的形式)流通过，而阴极330具有相对恒定的氧流(通常为空气的形式)通过。在瞬态运行中，比如从稳态向关闭的转换过程中，已经存在于阳极310中的氢继续被消耗，这是因为氢被转化为质子和电子。这一氢的消耗产生了被进入空气(来自比如打开的阳极排气管路)充注的稀薄气体环境，从而导致产生了一个锋面(或者氢-空气界面)，产生高于测得电压的电极电位。在正常开路电压下，燃料电池300在锋面左侧的部分可能显示在阳极310和阴极330之间具有大约0.9V的电位，而燃料电池300在锋面右侧的部分可能具有大约1.7V的电位(包括测得的0.9V开路电压，加上由于面内质子向锋面右侧区域传导较差而导致的膜320中极性相反的负的0.8V电化学电位降)。在这些增加的电位下，燃料电池300在锋面右侧的部分经历了可利用的氢的还原，并由此为其燃料源借助于氧化电极上的碳。通过操作根据本发明的该系统，产生了0.4V的降低的测得电压，电解质到电极的电位差可从大约1.7V降低至大约1.2V(即测得的阳极310到阴极330的0.4V电压和-0.8V的电化学电位降)。
使用上述示例电压，没有使用本发明的方法在锋面左侧的多个位置处测得的开路电压在阳极310上产生0V，在膜320上产生0V，而在阴极330上产生0.9V(0.9V净电压)。同样，在锋面右侧显示在阳极310上为0V，在膜320上为-0.8V，而在阴极330上为0.9V，净电压为1.7V(其足以导致前面所述的碳发生氧化)。使用本发明的所述方法后，在锋面左侧的多个位置处测得的开路电压，在阳极310上产生0V，在膜320上产生0V，而在阴极330上产生0.4V(0.4V净电压)。相似地，同样，在锋面右侧显示在阳极310上为0V，在膜320上为-0.8V，而在阴极330上为0.4V，1.2V的净电压(相对于前述方法，由此大大减少了碳氧化的量)。
虽然为了说明本发明的目的已经示出了一些典型的实施例，但是很显然，对于本领域的技术人员而言，在不偏离由所附权利要求限定出的本发明的范围的情况下，可对本发明作出许多种改变。
权利要求
1.一种关闭正在工作的燃料电池系统的方法，所述方法包括构造所述系统，以使其包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；和与所述阳极流体相连的吹扫阀；断开所述燃料源与所述阳极的连接；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将来自所述燃料源的燃料引入所述循环回路；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到测得的穿过所述燃料电池的电压达到预定水平；断开所述循环回路与所述燃料源的连接以中断所述燃料向其进行流动；以及通过所述吹扫阀将吹扫流体引入所述阳极，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极中的所有流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述吹扫流体在所述阴极流动通路中从所述阴极上游引流至所述氧源下游。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述吹扫流体在所述阴极流动通路中从所述阴极下游引流至阴极出口阀上游。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述吹扫流体包括氧基本耗尽的流体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述吹扫流体包括在从所述氧源引入的空气之后从所述阴极流动通路的至少一部分引入的氧基本耗尽的流体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述再循环进一步包括关闭阴极出口阀并打开阴极流动通路再循环阀，所述两个阀皆设置在所述循环回路内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述吹扫阀与位于所述阴极上游的所述阴极流动通路流体相连。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过关闭燃料惰化阀和打开所述吹扫阀实现所述吹扫流体的所述引入。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述穿过所述燃料电池的预定电压水平不大于0.4V。
10.一种关闭正在工作的燃料电池系统的方法，所述方法包括构造所述系统，以使其包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和空气源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；多个阀，所述阀包括至少一个设置在所述循环回路内以选择性地允许流体再循环通过的阀；使位于所述阴极上游的所述阴极流动通路与所述阳极流动通道流体相连的吹扫阀；被构造用以连接所述阴极流动通路和所述燃料源的燃料惰化阀；和流体设置在所述阳极流动通路中的燃料供应阀；与所述空气源相连的压力源；和被构造用以促进燃料和空气之间的反应的装置；断开所述燃料源与所述阳极的连接；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将来自所述燃料源的燃料引入所述循环回路；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到测得的穿过所述燃料电池的电压达到预定水平；断开所述循环回路与所述燃料源的连接以中断所述燃料向其进行流动；以及通过所述吹扫阀，顺序地将来自所述循环回路的至少一部分的氧基本耗尽的流体和来自所述空气源的空气引入所述阳极，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极中的所有流体。
11.一种启动燃料电池系统的方法，所述方法包括构造所述系统，以使其包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；和与所述阳极流体相连的吹扫阀；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将所述燃料引入所述循环回路；使所述燃料和所述再循环流体在所述装置中进行反应直到测得的穿过所述燃料电池的电压达到预定水平；断开所述循环回路与所述燃料源的连接以中断所述燃料向其进行流动；用燃料充注所述阳极；以及将空气引入所述阴极以置换在所述反应期间产生的氧基本耗尽的流体。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述用燃料充注所述阳极之前，所述氧基本耗尽的流体的存在产生了穿过所述至少一个燃料电池的负电压。
13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从所述氧源向所述阳极中释放流体，以促进低温启动。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从所述燃料源向所述阴极中释放燃料，以促进低温启动。
15.一种装置，包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；多个阀，其中至少一些阀被构造用以在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间形成流体连通，所述多个阀包括设置在所述燃料源和所述阳极之间的燃料供应阀；至少一个设置在所述循环回路内以选择性地允许流体再循环通过的阀；设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间以允许选择性地将燃料引入所述阴极流动通路的燃料惰化阀；和设置在所述阳极流动通路和所述阴极流动通路之间的吹扫阀，所述吹扫阀设置在所述阴极的上游；以及设置在所述阴极流动通路中的反应器，所述反应器被构造用以促进燃料和氧之间的反应，使得在瞬态运行所述燃料电池时，所述反应器结合再循环通过所述循环回路的燃料和流体，从而降低穿过燃料电池的电压，由此使空气或者所述再循环流体中的至少一种能够吹扫所述阳极或阴极中的一个。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述装置进一步包括被构造用以取得所述燃料电池系统产生的电力，并将其转换为促动功率的功率转换机构。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述装置进一步包括被构造用以容纳所述燃料电池系统和所述功率转换机构的车辆，所述车辆响应于在所述功率转换机构中产生的所述促动功率是可动的。
18.一种瞬态运行燃料电池系统的方法，所述方法包括构造所述系统，以使其包括至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；和被构造用以选择性连接所述循环回路和所述阳极的阳极吹扫流动通路；从两种瞬态运行模式中选择一种运行模式，所述第一模式包括启动所述系统，而所述第二模式包括关闭所述系统；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；使燃料与所述再循环流体进行反应直到测得的穿过所述燃料电池的电压达到预定水平；停止所述反应，以及向所述阳极或者所述阴极中的至少一个引入流体，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在的所有流体。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述阳极吹扫流动通路包括设置在其中用以实现所述选择性连接的吹扫阀。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述选择包括选择所述第一模式的操作。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括在所述反应已停止后用燃料充注所述阳极。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括一旦已用燃料充注所述阳极后，使空气流动通过所述阴极。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述使空气流动通过所述阴极的步骤包括停用所述循环回路。
24.根据权利要求18所述的方法，其中所述选择包括选择所述第二模式的操作。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述向所述阳极或者所述阴极中的至少一个引入流体的步骤包括在从所述氧源引入空气之后，顺序地向所述阳极引入来自所述阴极流动通路的至少一部分的氧基本耗尽的流体。
26.根据权利要求25所述的方法，进一步包括在使设置在所述阴极流动通路中的流体再循环通过所述循环回路之前，断开所述燃料源与所述阳极的连接。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括一旦基本吹扫过所述阳极之后，停止通过所述阴极流动通路的流体流。
全文摘要
用于操作燃料电池系统的方法和装置。一条与燃料电池阴极相连的循环回路确保通过该阴极的流体进行再循环，由此使在再循环流体中残留的氧与已被引入到所述循环回路中的燃料发生反应，直至达到一个降低的燃料电池电压水平。电压得到降低表示再循环流体中基本无氧，产生了惰性流体。此后，紧随空气的这一化合物或者空气可直接被用以在系统关闭期间吹扫燃料电池的阳极和相关的流动通路。相似地，在系统启动时，氢可被引入燃料电池阳极，然后空气被引入阴极和相关的流动通路，用以进行正常的操作。吹扫阀的设置可以使得利用空气对阳极进行吹扫，而不会将空气再引入到阴极中。
文档编号H01M8/02GK1853298SQ200480026899
公开日2006年10月25日 申请日期2004年6月25日 优先权日2003年9月17日
发明者S·G·格贝尔 申请人:通用汽车公司