专利名称：启动时燃料电池阴极中的氢燃烧的制作方法
技术领域：
阴极和阳极的气体空间已具有少量均衡的氢的燃料电池发电装置的启动，包括使 少量的氧气流入阴极，从而在催化剂的帮助下安全地消耗氢，以避免氢浓度高于阴极排放 中的可燃下限等级。该气流可以是平稳的或脉动的。
背景技术：
在PEM燃料电池系统中，众所周知，当电路开路且没有负载加载于电池时，例如正 在关闭电池的时候，阴极上存在的空气与残留在阳极上的氢燃料结合，通常导致不可接受 的高的电极电势，从而引起催化剂和催化剂载体的氧化和腐蚀以及伴随的电池性能退化。 当关闭电池时，惰性气体被用于立即净化阳极流场和阴极流场，以钝化阳极和阴极，从而减 小或防止这种电池性能退化。期望节省因存储单独的惰性气体供应源和将其输送至燃料电池而产生的成本、空 间以及重量，尤其是在紧凑性和低成本非常关键的汽车应用和系统需要经常关闭和重启的 汽车应用。在美国专利6，635，370中，通过断开主负载，切断气流，关闭空气出口阀和空气 入口阀并控制进出系统的燃料流，从而关闭燃料电池系统，其方式为使得燃料电池气体达 到均衡而穿过电池，且气体成分为少量的氢和剩余的燃料电池惰性气体，该惰性气体不与 燃料电池中的氢或氧发生反应，也不显著地损害电池性能。在上述的专利中，在断开主负载并关闭通向阴极流场的空气供给和从阴极流场的 排放之后，继续向阳极流场供给燃料，直至剩余的氧化剂消耗殆尽。该氧化剂的消耗借助于 从阴极出口向阴极入口回收气体，以及将小的辅助负载施加于电池，这也迅速地降低了阴 极电势。回收阴极气体确保了阴极中的剩余气体的良好混合，使得氧将更加均勻地散布在 整个燃料电池中，因此更快地消耗。当回收阴极气体时，阳极流场中的氢通过膜而扩散到阴极，使得阴极流场中的氧 被消耗，导致阴极流场中氧的总量变少，且大气中可找到的氮和其他气体的浓度上升。氧化剂流场将最终稳定于大气压，包括浓度介于大约0%至50%的氢和剩余的燃 料电池惰性气体。
发明内容
—种启动程序避免了清除在阴极气体空间中聚集的高浓度氢，尤其是聚集在阴极 出口歧管和其他排放管道中的高浓度氢。本启动程序包括在启动时使少量空气流入阴极。 这在催化剂的帮助下，安全地消耗了在关闭后残留于阴极气体空间中的氢。作为导致在阴 极处残留氢的任何形式的关闭程序的结果，氢可能已到达阴极。本过程，作为燃料电池发电装置的例行启动的一部分，包括操作空气吹风机，打开 空气入口阀以将低的空气流送至阴极，同时，由氢传感器监视阴极排放口中(或其他出口 管道中)的氢含量。这持续到达到并超过氢浓度的峰值。可能在大约15秒至20秒之间达 到该峰值，但该时间可取决于发电装置的设计细节而有所变化。在这个过程中，阴极排放
3口可能打开，以允许稳定的空气流穿过阴极，或者阴极排放口可能打开和关闭(或几乎关 闭)，以允许短持续时间的反复的脉冲空气流流过阴极。在通常情况下，此类脉冲可能开启 或者关闭一秒或几秒，或者长达十秒。无论达到何种气氛，脉冲通常将增加排出的被稀释的 混合物的混合。在关闭程序期间使用的具有阴极气体回收能力的系统中，阴极气体回收可能在启 动程序中被激活，同时伴随有少量的入口空气流。阴极回收的使用，如果存在，确保了阴极 气体空间中的氢更稳定地到达阴极催化剂，氢在此与随着空气被带入的氧发生反应。由于阴极流空间中的氢的量有限，因而容易容忍产生的热量。这里的程序可以供采用氢气供应的系统使用，以支撑残余的氧的消耗，该系统可 以具有或不具有阴极回收吹风机，可以具有或不具有阴极回收环路。通过以下详细地描述典型实施例，其他的变化将变得更加清楚，如附图所示。
图1为燃料电池系统的第一实施例的示意图，该系统可能根据本文中的程序而关 闭。图2为随时间变化的氢浓度的大致曲线。图3为图1的实施例的变型例的片断视图。
具体实施例方式在图1中，燃料电池系统100包括一堆101串联地电连接的邻近的燃料电池102， 该燃料电池具有位于一个电池的阴极流场板120和邻近的电池的阳极流场板118之间的冷 却剂流场103。更多的关于与图1中所表示的燃料电池相似的燃料电池的具体信息可在美 国专利5，503，944中得到。该’ 944专利描述了固态聚合物电解质燃料电池，其中，电解质 为质子交换膜(PEM)。燃料电池102包括阳极104(也可被称为阳极电极)、阴极(也可被称为阴极电极) 以及设置在每个阳极和阴极之间的电解质108。每个电解质可以是质子交换膜(PEM)的形 式，例如美国专利6，024，848中所描述的类型。每个阳极包括设置在阳极衬底110和电解 质108之间的阳极催化剂层112。每个阴极包括设置在阴极衬底114和电解质108之间的 阴极催化剂层116。每个燃料电池也包括邻近于阳极衬底110的阳极流场板118以及邻近 于阴极衬底114的阴极流场板120。每个阴极流场板120具有多个通道122，这些通道邻近于阴极衬底而延伸穿过，形 成了用于从入口 124运载例如空气的氧化剂穿过阴极而到达出口 126的阴极流场。每个阳 极流场板118具有多个通道128，这些通道邻近于阳极衬底而延伸穿过，形成了用于从入口 130运载含氢燃料穿过阳极而到达出口 132的阳极流场。电池组101也包括位于反应气体 流场板118和120之间的冷却剂流场131，以从电池移除热，该冷却剂流场例如通过使用冷 却剂泵134来使冷却剂循环通过环路132，该环路穿过冷却剂流场131、用于排出热的散热 器136以及流控制阀或孔138。图1的燃料电池系统包括含氢燃料源140和空气源142。燃料可以是高纯度氢或 者例如重整天然气或汽油的其他富氢燃料。管道139从通常为周边环境的源142运载空气穿过空气入口阀139a而进入阴极流场入口 124;管道141运载使用过的空气离开出口 126 而通过空气排出阀141a和止回阀169。氧化剂循环环路133具有设置于其中的氧化剂回收 阀135，延伸到设置于管道139中的空气吹风机144，以在关闭程序或本启动程序的期间，选 择性地从阴极流场出口 126使得使用过的空气循环返回到阴极流场入口 124。当运行于回 收模式时，吹风机144可以运行于低速，通常运行于大约正常运行速度的一半。燃料电池系统还包括将阳极和阴极连接的外部电路148、燃料回收环路146以及 设置于燃料回收环路内的燃料回收环路吹风机147。外部电路143包括主负载148、与主负 载并联的辅助电阻负载150以及与辅助电阻负载串联的二极管149。在正常燃料电池运行期间，主负载开关154闭合(其在图示中显示为打开)，辅助 负载开关156打开，使得燃料电池向主负载154提供电能。空气吹风机144、燃料回收吹风 机147以及冷却剂泵134全部工作。空气流阀139a和141a打开。通向阳极流场的燃料供 给管道160中的燃料供给阀158打开，与此同时，阳极排放管道164中的阳极排放孔阀162 和冷却剂环路流控制阀138也打开。空气回收阀135关闭。这些条件通常由常规的控制器 170管理。在正常运行中，来自源142的空气通过管道139而被连续地输送到阴极流场入口 124，并经由管道141而离开出口 126。来自源140的含氢燃料经由管道160而被连续输送 到阳极流场。阳极排放物的一部分，包含废弃的氢燃料，通过孔阀162经由管道164而离开 阳极流场，同时，回收吹风机147使剩余的阳极排放物通过阳极流场经由回收环路而再次 循环。回收一部分阳极排放物有助于维持从阳极流场的入口 130至出口 132的相对均勻的 气体成分，并增加氢利用。由于氢穿过阳极流场，它在阳极催化剂层上以一种总所周知的 方式发生电化学反应，产生氢离子和电子。电子通过外部电路143而从阳极104流向阴极 106，以向主负载148供电。根据一种“氢_开启”(“hydrogen-on”)方法，为了关闭运行的燃料电池系统，外 部电路143中的开关154打开，以断开主负载148。燃料流阀158保持打开；并且，燃料回 收吹风机保持工作，以继续进行一部分阳极排放物的再循环。然而，如下面所解释的，阳极 排气孔阀162将保持打开或被关闭取决于进入的燃料中的氢的百分比以及燃料电池的阳 极侧和阴极侧的相对容量。通过在空气吹风机144保持工作时，关闭空气出口阀141a，从而切断穿过阴极流 场的新鲜空气流，并且，氧化剂回收阀135打开，以使空气从阴极流场出口 126循环至阴极 流场入口 124。这在阴极流场内产生了均勻的气体成分，并最终有助于在电池内加速燃料电 池气体达到均衡。通过闭合开关156，从而连接辅助负载150。利用流过辅助负载的电流， 产生典型的电化学电池反应，导致阴极流场中的氧浓度降低且电池电压下降。阳极流场内 的氢支撑了消耗阴极氧的电池反应，稍微使电解质更缓慢地扩散至阴极，以进行额外的阴 极氧消耗。优选当燃料电池内具有充足的氢以与氧化剂进行电化学反应时，开始辅助负载的 应用。该负载可以保持连接，至少直到电池电压降低至每个电池大约0. 2伏特或更低的 预定值，或者直到阴极处的氧浓度降低至低于4%，或者直到阴极处的氢浓度升高至接近 50%或升高预定的固定时期。连接在阴极和阳极之间的二极管149，感测电池电压，并且，只 要电池电压高于预定值，就允许电流经过负载148。那样，电池电压降低并随后被限定在预定值。当电池电压降低至每个电池大约0. 2伏特时，阴极流场内的几乎所有的氧以及扩散 穿过电池的任何氧将被消耗。现在，可通过将开关156打开而断开辅助负载；但是，它可能 在关闭程序的剩余部分中始终保持连接，以在电池关闭时将电池电压限制在每个电池不超 过0. 2伏特。在一些氢-开启燃料电池组关闭程序的使用中，可省略辅助负载的使用。在上述程序期间阳极排放孔阀162是否需要打开由进入的燃料的氢浓度以及电 池的阴极侧和阳极侧的气体空间的相对容量决定。当氧被消耗时，燃料是否需要和需要多 久连续地流入由具有本领域中的普通技术的人员简单地判断，参照前面提到的’ 370专利的 进一步解释。—旦阳极流场和阴极流场内的所有的氧被消耗，燃料供给阀158和阳极排放孔阀 162如果打开，则被关闭。燃料回收泵147、氧化剂回收阀135以及冷却剂泵134现在可关 闭。然而，保持辅助负载开关156闭合可能有用。在一些情况下，阳极排放孔阀可能未完全 闭合。如前面提到的美国专利6，635，370中更完整地所述，通过恰当地控制关闭过程， 可实现阳极和阴极中的气体均衡，且氢浓度为大约零和50%之间。为了在储存期间，抵消氧 的引入，可以周期性地打开燃料回收吹风机，并监视回收气体中的氢浓度。如果氢浓度下降 至低于某个预定的百分比，那么，将添加额外的新鲜氢。这样，燃料电池不工作时也有足够 的氢浓度，以在储存期间防止催化剂的腐蚀。燃料电池系统正在被考虑要关闭，直到系统重新启动且再次连接主负载，这在下 文中有时也称作“储存”。如上文中提到的’370专利中所述，前述的程序可采用专用的阴极 气体回收吹风机。在刚刚描述的关闭图1所示的类型的燃料电池系统的方法中，在关闭程序期间的 任何时期，空气入口阀139a完全或至少部分地打开以确保没有任何量级的真空。由阴极流 场通道122内的反应引起的任何氧减少将在阀141a的两端导致负压差，因而视情况而定， 少量的大气空气将通过阀139a或阀141a而进入回收环路133。如果需要，可以在大气和空气管道139及燃料管道160之间设置止回阀(未显 示)，以进一步确保在关闭期间，在阳极或阴极中没有真空产生，从而避免将冷却剂从通道 103抽吸到阳极或阴极的气体空间中。当关闭正在结束时，阀139a、141a、158以及162全部 关闭。在储存氢浓度高达大约50 %的燃料电池组之后的启动程序期间，程序以将受控制 的量的空气引入到阴极为开始，该空气通过阴极出口歧管进入燃料电池孔而替换相同量的 含氢气体。安全规程规定，如果氢等级超过4%的等级，那么，氢的排放可能成为危险因素； 这作为可燃下限而为人所知。当前的过程使得剩余的储存氢主要在燃料电池阴极内被消 耗，每个电池中的催化剂在此处允许催化燃烧，使得排出气体保持低的氢含量。此外，在该 程序期间，邻近的电池的冷却剂确保了移除所发生的燃烧的热的绝大部分。以下描述的过程针对燃料电池发电装置的启动程序，此时，氢存在于阴极气体通 道中。针对燃料电池发电装置的启动程序由控制器170控制，包括*通过打开阀158且限压器件的辅助负载150在适当位置，在阳极启动氢流；* 一旦在阳极建立氢，移除限压器件(VLD) 150 ；*接着打开阴极回收阀135 ；
*打开入口阀139a至大约50%的值。选择设定点，使得在开启空气吹风机144时， 当周期性地打开气孔时，可容易地补充空气；*接着脉冲地打开(即，短时间反复地开启)阴极排出阀141a以平衡(a)尽可能 高效地消耗燃料电池阴极中的剩余的氢的需要，同时(b)也限制从燃料电池出口清除出去 的氢，使得在出口处测出的氢浓度保持为低于可燃下限等级。控制器基于在混合箱中的空 气清除的已知流速和来自氢传感器的反馈而计量(并且，如果是脉冲，则调制)来自电池的 脉冲的(或稳态的)出口流，直到氢传感器处的出口流已经达到或超过最大值(该值通常 没有图2所示的那么高)。此时，该发电装置已准备进行常规运行，这时，阴极回收停止且出口阀141a完全 打开。这个过程避免了被通过阴极排放歧管进入并从燃料电池出口离去的空气所推动的过 高的峰值氢浓度(例如，高于4%的浓度)。在图1的实施例中，阴极排放物流过阀141a和止回阀169 (尽管这两个阀不是必 须的)而到达混合箱173。混合箱可以是用于燃料电池发电装置的重要部分的外壳，例如车 辆的舱室通风系统，其收集从电池组泄漏的任何气体，并将该气体与新鲜空气混合，然后将 其驱逐至排放口 174，以确保氢等级远低于可燃下限(大约4% )。空气通过风扇176而经 过混合箱。混合箱173也可以是某个其他结构的排放气体混合腔。在没有混合箱173的情况 下，氢传感器189在排放口 174处感测氢浓度。图3图示了本布置可用于不具有混合箱173 的燃料电池发电装置。在那种情况下，氢传感器179反映了离开阴极的氢浓度，如图2所示， 该浓度非常高，可达到大约50%。为了该过程起作用，在空气回收模式中，将需要显著更多 的时间，从而在出口处的清除可能开始之前，消耗残留在阴极流场中的剩余的氢，这个工作 的过程。脉冲和阴极回收的使用将有帮助，以防没有使用空气稀释混合箱。参看图2，氢浓度被绘制为时间的函数。可以看到，在只要阀139a被少量打开，空 气就进入阴极之前，初始时几乎没有氢被排出阴极出口。然而，氢浓度最终增加，并反映在 来自传感器的较高读数上。氢浓度的变化率取决于很多因素，包括气体流速、硬件构成以及 管线尺寸等。不管曲线的具体形状如何，重要的因素是在氢浓度等级完全地下降到几乎没 有氢被从阴极出口排出的初始等级之前，氢浓度的峰值等级从未超过设定点的限制，在该 情况中，为2%的氢或可燃下限(LFL)的50%。因此，很明显的是，一旦超过峰值，氢实质上 离开阴极。在那时，控制器将感测浓度超过峰值，然后将可以完全打开空气入口，以能够继 续启动程序。该布置尤其有利，并且，本描述涉及燃料电池仅被关闭例如几分钟的短时间的情 况。如果燃料电池被关闭较长时间，那么，反应气体，尤其是氢，将倾向于泄露或在电池中被 消耗，使得除非在发电装置关闭期间补充氢，本文中所描述的布置并非必不可少，但其仍可 用来确保安全的启动。
权利要求
一种方法，在燃料电池发电装置(100)的启动程序的期间，(a)允许所述燃料电池发电装置中的燃料电池(102)的氧化剂流场(122)的出口(126)中的气体流向排放口(174)；其特征在于，(b)从源(142)向所述氧化剂流场的入口(124)提供(139，139a，144)空气，该空气比在该发电装置的正常运行期间所利用的空气流更小。(c)监视(170，179)从所述出口流向排放口的气体中的氢浓度；以及(d)响应于氢浓度已经达到并超过峰值浓度而向所述入口提供在该发电装置的正常运行期间所利用的空气流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括提供(139，139a，144)空气流，该空气流为在该发电装置的正常运行 期间所利用的空气流的大概一半。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包括反复性地提供(139，139a，144)短持续时间的空气流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括允许所述出口(126)通过气体混合箱(173)而流向排放口(174)；以及所述步骤(c)包括监视(170，179)所述混合箱的出口处的氢浓度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，跟随所述步骤(d)，燃料气体(140)流(158，160，162)向所述燃料电池发电装置的阳极 (128)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，在所述步骤(c)之前，使得(135)阴极气体回收环路(133，144)能够将气体从所述氧 化剂流场(122)的所述出口(126)返回至入口(124)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)跟随所述步骤(a)相差大约5秒至大约30秒。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)跟随所述步骤(a)相差大约15秒至大约20秒。
全文摘要
燃料电池发电装置(100)包括一组燃料电池(102)、冷却剂通道(103)、空气吹风机(144)、空气入口和出口阀(139a，141a)、使用空气吹风机的阴极回收环路(135)以及阴极排放混合箱(173)，其中，每个燃料电池均包括位于阳极(104)和阴极(106)之间的电解质(101)。关闭包括在通过阳极施加新鲜的燃料和回收的燃料的同时回收阴极空气，直到氧为大约0.2或更少，或超出时间。在启动时，启动空气吹风机，且阴极回收阀(135)打开，并打开空气入口阀以允许在正常运行期间所使用的空气流的大约一半，以导致阴极中的氢被逐渐地消耗，因而避免了空气出口歧管中的氢等级高于可燃下限。在排放口监视氢气，在氢气峰值之后，提供完全的空气流。
文档编号C01B3/34GK101911356SQ200780102164
公开日2010年12月8日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者M·威尔逊, M·莫兰, V·亚达 申请人:Utc电力公司