CN101222064B - 通过氢/氮贮存减轻启动停止造成的燃料电池劣化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过使氢流入阳极侧内且使空气流入阴极侧内而运行具有所述阳极侧和所述阴极侧的燃料电池堆的方法。所述燃料电池产生电力，且所述电力被用于运行初级电气装置。在一个实施例中，为了停止所述燃料电池堆，使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接。停止进入所述阴极侧内的所述空气流并且保持所述阳极侧上的正氢压。使所述燃料电池堆短接并且允许所述阴极侧中的氧被氢消耗。关闭所述阳极侧和所述阴极侧的入口阀和出口阀。其后，停止进入所述阳极侧内的所述氢流并且停止从所述阴极侧排出的排气流。
Description
技术领域
本申请的披露内容主要涉及的领域包括运行燃料电池堆的方法，所述运行方法包括启动和停止这种燃料电池堆。
背景技术
在车辆应用中，燃料电池堆可能需要经受超过30,000次的启动/停止循环。燃料电池堆的正常运行涉及到氢持续地流入燃料电池堆的阳极侧内且空气持续地流入燃料电池堆的阴极侧内。当燃料电池停止时，如果电路是开路的且电池上不再存在负载，则可能产生不能接受的阳极和阴极电位，从而导致催化剂和催化剂载体产生氧化和腐蚀以及燃料电池性能产生劣化。
发明内容
本发明的一个实施例包括一种通过使氢流入阳极侧内并且使空气流入阴极侧内而运行具有所述阳极侧和所述阴极侧的燃料电池堆的方法。所述燃料电池产生用于运行初级电气装置的电力。为了使燃料电池堆停止，使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接。进入所述阴极侧内的空气流被停止且在所述阳极侧上保持正氢压。所述燃料电池堆被短接且允许所述阴极侧中的氧被来自所述阳极侧的氢消耗。所述阳极侧和所述阴极侧的入口阀和出口阀随后被关闭。
本发明的另一实施例包括通过使氢流入阳极侧内并且使空气流入阴极侧内而运行具有所述阳极侧和所述阴极侧的燃料电池堆。所述燃料电池产生用于运行初级电气装置的电力。为了使所述燃料电池堆停止，使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接且所述燃料电池堆被短接。进入所述阴极侧内的所述空气流被停止且从所述阴极侧排出的排气也被停止。从所述阳极侧排出的所述排气被停止的同时在所述阳极侧上保持正氢压。氢被注入所述阴极侧内以便消耗所述阴极侧中的氧并补偿由于氧的消耗而导致在所述阴极侧处产生的压力损失，注射的氢和从所述阳极侧横向流动(crossing over)的氢都消耗了所述氧。
通过下文提供的详细描述将易于理解本发明的其它典型实施例。应该理解：尽管该详细描述和特定实例示出了本发明的典型实施例，但仅旨在用于示例性的目的而绝不旨在限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将更充分地理解本发明的典型实施例。
图1是示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图；
图2是示出了根据本发明的另一实施例的方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统和运行所述燃料电池系统的方法的示意图；和
图4示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池堆的一部分。
具体实施方式
下面对一个或多个实施例进行的描述在本质上仅是示例性的且绝不旨在限制本发明及其应用或使用。
现在参见图1，本发明的一个实施例包括通过使氢流入阳极侧内并且使空气流入阴极侧内、产生电力以便运行初级电气装置，从而运行具有所述阳极侧和所述阴极侧的燃料电池堆(步骤200)。使燃料电池堆停止包括使燃料电池堆与初级电气装置断开连接并且停止进入阴极侧内的空气流(步骤202)。保持阳极侧上的正氢压(步骤204)。使燃料电池堆短接并且允许阴极侧中的氧被来自阳极侧的氢消耗(步骤206)。其后，停止进入阳极侧内的氢流并且将用于阳极侧和阴极侧二者的入口阀和出口阀都关闭(步骤208)。阳极上的该正氢压应该至少足以补偿由于燃料电池堆温度从运行温度降低至室温而导致产生的压力损失以及由于水蒸汽冷凝而导致产生的压力损失。
现在参见图2，本发明的一个实施例包括一种通过使氢流入阳极侧内且使空气流入阴极侧内、并且产生电力以便运行初级电气装置，从而运行具有所述阳极侧和所述阴极侧的燃料电池堆(步骤210)的方法。使燃料电池堆停止包括使燃料电池堆与初级电气装置断开连接，并且与辅助负载接合(步骤212)。停止进入阴极侧内的空气流并且关闭阴极侧的入口阀和出口阀(步骤214)。关闭阳极侧上的入口阀和出口阀，同时保持阳极侧上的正氢压(步骤216)。使燃料电池堆短接并将氢注入阴极侧内以便消耗阴极侧中的氧并补偿由于氧的消耗而导致产生的压力损失(步骤218)。
现在参见图3，本发明的一个实施例包括燃料电池系统100，所述燃料电池系统包括燃料电池堆10，所述燃料电池堆包括固体电解质膜12且具有包括阳极反应剂气体流场的阳极侧16和包括阴极反应气体流场的阴极侧14。空气入口导管18被设置并被连接至空气压缩机20。空气压缩机出口导管22从压缩机20被连接至燃料电池堆10的阴极侧14且第一阀24被设置在压缩机出口导管22中。设置了氢源26，如储罐中的压缩氢或储罐中的液体氢。第一氢罐出口导管28被设置成在一端处被连接至氢源26且在第二端处被连接至燃料电池堆10的阳极侧16。第二阀30被设置在第一氢罐出口导管28中以便控制通过所述第一氢罐出口导管的气体流。第二氢罐出口导管38被设置且在一端处被连接至氢源26且在另一端处被连接至燃料电池堆10的阴极侧14。第三阀40被设置在第二氢罐出口导管38中以便控制通过所述第二氢罐出口导管的气体流。电池组400可被连接至空气压缩机20以便对其进行供电。另一种方式是，通过燃料电池堆10产生的电力对压缩机20进行供电。
阴极排气导管44被设置成在一端处被连接至燃料电池堆10且包括位于所述阴极排气导管中的用于控制通过所述阴极排气导管的气体流的第四阀46。阳极排气导管48被设置成在一端处被连接至燃料电池堆10且可在第二端处打开以便向大气排气。第五阀50被设置在阳极排气导管48中以便控制通过所述阳极排气导管的气体流。
第一电气路径60被连接至燃料电池堆10且包括初级电气装置或负载62和用于将负载62连接至燃料电池堆10并且使所述负载与所述燃料电池堆断开连接的第一电气开关64。负载62可以是电动马达或电机以便推动车辆。第二电气路径66被连接至燃料电池堆并且包括相对低负载的装置如电阻68和用于将电阻68连接至燃料电池堆并且使所述电阻与所述燃料电池堆断开连接的第二电气开关70。
在燃料电池堆10的正常运行中，空气压缩机出口导管22中的第一阀24被打开且阴极排气导管44中的第四阀46也被打开以使得空气可被输送通过燃料电池堆的阴极侧14。第一氢罐出口导管28中的第二阀30被打开且阳极排气导管48中的第五阀50也被打开以使得氢可被输送通过燃料电池堆10的阳极侧16。在一个实施例中，为了使燃料电池堆10停止，将阳极侧16上的氢压保持在略高于环境压力的压力下以便防止当阴极中仍充注有未消耗的氧时空气从环境侵入。通过打开第一电气路径60中的开关64而使初级负载62与燃料电池堆10断开连接。辅助动力例如来自电池组400的辅助动力被用于运行燃料电池堆的各个部件，所述各个部件包括空气压缩机20。由此避免了产生开路电压。其后，空气压缩机出口导管22中的第一阀24以及阳极排气导管48中的第五阀50被关闭。燃料电池堆的电压开始下降且第二电气路径66中的第二电气开关70被关闭以便将电阻68连接至燃料电池堆10从而使燃料电池堆10短接。在一个实施例中，在燃料电池堆电压为约0.2伏特/电池之后关闭第二电气开关70。当电池电压降低至约0.05V时，阴极侧中的氧已被从阳极侧16横向流动通过固体电解质膜12到达阴极侧14的氢完全消耗。阴极侧14中现在完全充注着氮和水蒸气。其后，阴极排气导管44中的第四阀46被关闭且第一氢罐出口导管中的第二阀30也被关闭，从而在阳极中保持正氢压以便补偿由于燃料电池堆温度降低和水蒸气冷凝而导致产生的压力损失。通过在阳极侧和阴极侧二者中都保留氢而消耗了侵入阳极侧16或阴极侧14内的空气。阴极侧14和阳极侧16中都充注有基本上包括氢和氮的气体以便作为燃料电池堆停止期间的气体贮存。
再次参见图3，本发明的另一实施例包括一种使燃料电池堆停止的方法，所述方法包括保持阳极侧中的氢压，所述氢压略高于环境压力、使燃料电池堆10与初级负载62断开连接并利用辅助动力以便避免燃料电池堆产生电池开路电压。空气压缩机出口导管22中的第一阀24以及阴极排气导管44中的第四阀46被关闭。阳极侧排气导管48中的第五阀50被关闭且第二氢罐出口导管38中的第三阀40被打开以便将氢注入燃料电池的阴极侧46内以便平衡由于在阴极侧14中进行的氢/氧反应而导致产生的压力变化。因此，燃料电池堆电压开始下降且通过将第二电气路径66中的电阻68连接至燃料电池堆10而使燃料电池堆10短接。在一个实施例中，当燃料电池堆电压为约0.2伏特/电池时使燃料电池堆短接。当燃料电池电压降低至约0.05V时，阴极侧14中的氧已被氢完全消耗。阴极侧14中现在充注着氢/氮和少量的水。
阳极侧16中也充注着氢。同样地，侵入阳极侧16或阴极侧14内的空气被氢消耗，且阴极侧14和阳极侧16中都充注着基本上包括氢和氮的气体以便作为燃料电池堆停止期间的气体贮存。
在燃料电池堆处于短接状态且随后使短接的燃料电池堆断开连接时，可通过打开适当的阀30、50以便允许氢流动通过燃料电池堆10的阳极侧16而启动燃料电池堆10。其后，打开阀24、46以便允许空气流动通过阴极侧14。第三阀40被关闭以防止氢流入阴极侧14内。第二电气开关70被打开以便使电阻68与燃料电池堆10断开连接且第一电气开关64被关闭以便将初级负载62连接至燃料电池堆10。
现在参见图4，本发明的一个实施例可利用燃料电池堆10，所述燃料电池堆包括双极板302和软质(soft goods)部分312。双极板302和软质部分312被重复设置以便形成被串联连接的具有双极板302的燃料电池堆。双极板302可以是一件式的或者可以包括例如通过焊接被紧固在一起的第一部件301和第二部件303。双极板302可呈现出多种构型，所述多种构型包括被机加工的金属基板、紧固在一起的模压金属箔片或者成型的导电复合材料。双极板302可包括第一面304，所述第一面具有多条槽脊306和在其中限定出的通道308。双极板302可包括第二面400，所述第二面相似地包括多条槽脊306和在其中限定出的多条通道308。位于例如双极板302的一侧304上的通道308可构成阳极反应剂气体流场，且位于例如双极板302的另一侧400上的通道308可构成阴极反应剂气体流场。冷却通道310可被设置在双极板302中。
软质部分312可包括固体电解质膜314，所述固体电解质膜具有第一面316和相对的第二面318。多孔阴极320可被设置在电解质膜314的第一面316上。阴极320包括催化剂和传导载体如碳颗粒上的铂、和离聚物。多微孔层322可被设置在阴极320上。多微孔层322具有相对较小的孔隙且可包括位于粘合剂中的颗粒，如碳颗粒和聚四氟乙烯(PTFE)。多孔气体扩散介质层324可被设置在多微孔层322上。多孔气体扩散介质层324可以是任何的多孔导电材料，如碳纸或毡制物。双极板302可被设置在气体扩散介质层324上。多孔阳极326可被设置在固体电解质膜314的第二面318的下面。阳极326包括位于导电载体上的催化剂如碳颗粒上的铂、和离聚物。第二多微孔层328可被设置在阳极326的下面。第二气体扩散介质层330可被设置在第二多微孔层328的下面。如图所示，另一双极板302位于第二气体扩散介质层330下面。
当术语“空气”被用于描述反应剂气体或吹扫气体时，其应该被视作等效于富氧气体，如富氧空气或纯氧。
上面对本发明的实施例进行的描述本质上仅是示例性的且因此对所述实施例作出的变型不被认为偏离了本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于运行燃料电池堆的方法，所述方法包括：
运行具有阳极侧和阴极侧的燃料电池堆，所述运行步骤包括使氢流入所述阳极侧内且使包括氧和氮的空气流入所述阴极侧内、产生电力并且利用所述电力而运行被连接至所述燃料电池堆的初级电气装置；
停止所述燃料电池堆，所述停止所述燃料电池堆的步骤包括：
使所述燃料电池堆与所述初级电气装置断开连接；
停止进入所述阴极侧内的包括氧和氮的所述空气流并且保持所述阳极侧上的正氢压；
使所述燃料电池堆短接并且允许所述阴极侧中的氧被氢消耗；
其后，停止进出所述阳极侧的所述氢流并且停止从所述阴极侧排出的排气流；
所述停止所述燃料电池堆的步骤使得所述阴极侧和所述阳极侧二者中都充注有基本上包括氢和氮的气体以便作为燃料电池堆停止期间的气体贮存。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述允许所述阴极侧中的氧被氢消耗的步骤包括允许氢从所述阳极侧横向流动至所述阴极侧以便消耗所述氧。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述允许所述阴极侧中的氧被氢消耗的步骤包括将氢注入所述阴极侧内。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在进行了使所述燃料电池堆与所述初级电气装置断开连接的步骤之后使所述燃料电池堆短接。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述使所述燃料电池堆短接的步骤包括关闭包括所述燃料电池堆和电阻的电路。
6.一种用于运行燃料电池堆的方法，所述方法包括：
通过使氢流入阳极侧内且使包括氧和氮的空气流入阴极侧内、通过燃料电池堆产生电力并且利用所述电力而运行被连接至所述燃料电池堆的初级电气装置，从而运行具有所述阳极侧和所述阴极侧的燃料电池堆；
停止所述燃料电池堆，所述停止所述燃料电池堆的步骤包括使所述燃料电池堆与所述初级电气装置断开连接；
停止进入所述阴极侧内的包括氧和氮的所述空气流并且停止从所述阴极侧排出的排气；
停止从所述阳极侧排出的排气同时保持所述阳极侧上的正氢压；
使所述燃料电池堆短接；
将氢注入所述阴极侧内以消耗所述阴极侧中的氧；
所述停止所述燃料电池堆的步骤使得所述阴极侧和所述阳极侧二者中都充注有基本上包括氢和氮的气体以便作为燃料电池堆停止期间的气体贮存。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述使所述燃料电池堆短接的步骤包括关闭包括所述燃料电池堆和电阻的电路。
8.根据权利要求6所述的方法，进一步包括允许氢从所述阳极侧横向流动至所述阴极侧以便消耗所述氧。
9.一种用于提供和运行燃料电池堆的方法，所述方法包括：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括固体电解质膜，所述燃料电池堆具有包括阳极反应剂气体流场的阳极侧和包括阴极反应气体流场的阴极侧，所述燃料电池系统包括被连接至空气压缩机的空气入口导管、从所述压缩机被连接至所述燃料电池堆的所述阴极侧的空气压缩机出口导管和位于所述空气压缩机出口导管中的第一阀、氢源和被连接至所述氢源且被连接至燃料电池堆的所述阳极侧的第一氢罐出口导管、位于所述第一氢罐出口导管中以便控制通过所述第一氢罐出口导管的气体流的第二阀、被连接至所述氢源和所述燃料电池堆的所述阴极侧的第二氢罐出口导管、位于所述第二氢罐出口导管中以便控制通过所述第二氢罐出口导管的气体流的第三阀、被连接至所述空气压缩机以便对其进行供电的电池组、被连接至所述燃料电池堆的阴极排气导管和位于所述阴极排气导管中的用于控制通过所述阴极排气导管的气体流的第四阀、被连接至所述燃料电池堆的阳极排气导管和位于所述阳极排气导管中的用于控制通过所述阳极排气导管的气体流的第五阀、被连接至所述燃料电池堆的第一电气路径，所述第一电气路径包括初级电气装置和用于将所述初级电气装置连接至所述燃料电池堆并且使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接的第一电气开关、被连接至所述燃料电池堆的第二电气路径，所述第二电气路径包括电阻和用于将所述电阻连接至所述燃料电池堆并且使所述电阻与所述燃料电池堆断开连接的第二电气开关；
打开所述空气压缩机出口导管中的所述第一阀和所述阴极排气导管中的所述第四阀以使得空气可被输送通过所述燃料电池堆的所述阴极侧、打开所述第一氢罐出口导管中的所述第二阀和所述阳极排气导管中的所述第五阀以使得氢可被输送通过所述燃料电池堆的所述阳极侧；
停止所述燃料电池堆，所述停止所述燃料电池堆的步骤是通过下面的过程而实现的，将所述阳极侧上的氢压保持在略高于环境压力的压力下以便防止当所述阴极中仍充注有未消耗的氧时空气从环境侵入、通过打开所述第一电气路径中的所述开关而使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接、利用所述电池组运行所述燃料电池堆的各个部件，所述各个部件包括所述空气压缩机；
其后，关闭所述空气压缩机出口导管中的所述第一阀以及所述阳极排气导管中的所述第五阀、随着所述燃料电池堆的电压开始下降而关闭所述第二电气路径中的所述第二电气开关以便将所述电阻连接至所述燃料电池堆从而使所述燃料电池堆短接，并且使得所述阴极侧中的氧已被从所述阳极侧横向流动通过所述固体电解质膜到达所述阴极侧的氢完全消耗且使得所述阴极侧中完全充注着氮和水蒸气；
其后，关闭所述阴极排气导管中的所述第四阀和所述第一氢罐出口导管中的所述第二阀，同时在所述阳极中保持正氢压以便补偿由于燃料电池堆温度降低和水蒸气冷凝而导致产生的压力损失，从而使得通过分别在所述阳极侧或者所述阴极侧中保留有氢而消耗侵入所述阳极侧或阴极侧内的空气，且使得所述阴极侧和所述阳极侧二者中都充注有基本上包括氢和氮的气体以便作为燃料电池堆停止期间的气体贮存。
10.一种用于提供和运行燃料电池堆的方法，所述方法包括：
提供燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括固体电解质膜，所述燃料电池堆具有包括阳极反应剂气体流场的阳极侧和包括阴极反应气体流场的阴极侧，所述燃料电池系统包括被连接至空气压缩机的空气入口导管、从所述压缩机被连接至所述燃料电池堆的所述阴极侧的空气压缩机出口导管和位于所述空气压缩机出口导管中的第一阀、氢源和被连接至所述氢源且被连接至燃料电池堆的所述阳极侧的第一氢罐出口导管、位于所述第一氢罐出口导管中以便控制通过所述第一氢罐出口导管的气体流的第二阀、被连接至所述氢源和所述燃料电池堆的所述阴极侧的第二氢罐出口导管、位于所述第二氢罐出口导管中以便控制通过所述第二氢罐出口导管的气体流的第三阀、被连接至所述空气压缩机以便对其进行供电的电池组、被连接至所述燃料电池堆的阴极排气导管和位于所述阴极排气导管中的用于控制通过所述阴极排气导管的气体流的第四阀、被连接至所述燃料电池堆的阳极排气导管和位于所述阳极排气导管中的用于控制通过所述阳极排气导管的气体流的第五阀、被连接至所述燃料电池堆且包括初级电气装置和用于将所述初级电气装置连接至所述燃料电池堆并且使所述初级电气装置与所述燃料电池堆断开连接的第一电气开关的第一电气路径、被连接至燃料电池堆且包括电阻和用于将所述电阻连接至所述燃料电池堆并且使所述电阻与所述燃料电池堆断开连接的第二电气开关的第二电气路径；
停止所述燃料电池堆，所述停止所述燃料电池堆的步骤包括保持所述阳极侧中的氢压，所述氢压略高于环境压力、使所述燃料电池堆与所述初级电气装置断开连接并利用辅助动力以便避免燃料电池堆产生电池开路电压、关闭所述空气压缩机出口导管中的所述第一阀以及所述阴极排气导管中的所述第四阀、关闭所述阳极侧排气导管中的所述第五阀、打开所述第二氢罐出口导管中的所述第三阀以便将氢注入所述燃料电池的所述阴极侧内以便平衡由于在所述阴极侧中进行的氢/氧反应而导致产生的压力变化、随着所述燃料电池堆的电压开始下降而通过将所述第二电气路径中的所述电阻连接至所述燃料电池堆而使所述燃料电池堆短接，从而使得所述阴极侧中的氧已被氢完全消耗且使得所述阴极侧中现在充注着氢/氮和少量的水且使得所述阳极侧中也充注着氢且使得侵入所述阳极侧或阴极侧内的空气被氢消耗，且使得所述阴极侧和阳极侧中都充注着基本上包括氢和氮的气体以便作为燃料电池堆停止期间的气体贮存。
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