CN101227009A - 减轻由于启动和关闭而导致电池性能发生劣化的方法 - Google Patents

减轻由于启动和关闭而导致电池性能发生劣化的方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池系统，所述燃料电池系统采用在系统关闭和启动时通过将阴极再循环与电池堆短路组合在一起而使系统中燃料电池堆阴极侧的腐蚀最小化的工艺。

Description

减轻由于启动和关闭而导致电池性能发生劣化的方法
技术领域
本发明主要涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括用于使燃料电池堆阴极侧的腐蚀最小化的工艺，且特别是，本发明涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括用于使燃料电池堆阴极侧的腐蚀最小化的工艺，其中所述工艺包括在系统启动(start-up)和关闭(shut-down)时将电池堆电短路技术和阴极再循环技术组合在一起。
背景技术
氢由于其清洁以及可用于在燃料电池中高效发电的性能而是一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是包括阳极和阴极以及位于其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。通常在催化剂的作用下，氢气在阳极产生离解以产生自由氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。通常在催化剂的作用下，氢质子在阴极与氧和电子进行反应以产生水。来自阳极的电子不能通过电解质，且因此在被传送至阴极之前被引导通过负载而作功。所述功用于使车辆运转。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种普遍采用的用于车辆的燃料电池。质子交换膜燃料电池通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括担载在碳颗粒上且与离聚物混合在一起的极细分散的催化颗粒，所述催化颗粒通常为铂(Pt)。阳极、阴极和膜的组合限定出膜电极组件(MEA)。
多个燃料电池通常被组合在燃料电池堆中以产生所需功率。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有四百个叠置在一起的燃料电池。燃料电池堆接收作为空气流的阴极反应气体，所述阴极反应气体通常为在压缩机的作用下受力通过燃料电池堆的空气流。燃料电池堆并未消耗空气中所有的氧且一些空气作为阴极排气被输出，所述阴极排气可包括作为燃料电池堆副产物的水。燃料电池堆还接收阳极氢反应气体，所述阳极氢反应气体流入燃料电池堆的阳极侧。
当燃料电池系统被关闭时，未反应的氢气存留在燃料电池堆的阳极侧中。该氢气能够扩散通过或者穿过膜并且与阴极侧中的氧发生反应。由于氢气扩散到阴极侧，因此电池堆阳极侧上的总压力减小到低于环境压力。该压力差使得空气从周围环境中被吸入到电池堆的阳极侧。在空气进入到电池堆的阳极侧时，其产生空气/氢锋面(front)，所述空气/氢锋面在阳极侧形成短路，导致氢离子从阳极侧的氢气溢流部分向阳极侧的空气溢流部分产生侧向流动。与膜的较高的侧向离子电阳组合在一起的这种较高的离子电流在膜两端产生了明显的侧向电位降(～0.5V)。这样，在与阳极侧的空气充注部分相对的阴极侧和电解液相邻的阴极侧之间产生了局部高电位，从而驱动了快速的碳腐蚀，并且使得碳层更薄。这样就减小了对催化剂颗粒的担载(support)，由此降低了燃料电池的性能。
本技术领域已公知：通过在高压下使来自压缩机的空气进入阳极侧而在系统关闭时将氢气从燃料电池堆阳极侧中吹扫出来。这种空气吹扫还产生了导致发生阴极碳腐蚀的空气/氢锋面(front)，如上文所述。因此，所希望的是将空气/氢锋面的存留时间减少为尽可能短，其中所述锋面的存留时间被定义成阳极流通道体积除以空气吹扫流速。更高的吹扫流速将会减小固定阳极流通道体积的锋面的存留时间。
本技术领域还已公知：在系统关闭时提供阴极再循环从而减轻阴极腐蚀。特别是，已公知在系统关闭时泵送空气和少量氢的混合物通过电池堆的阴极侧，从而使得氢和氧在阴极侧中结合在一起从而减小了氧的量，由此降低了导致碳腐蚀的电位。
本技术领域还已公知：在系统关闭时用合适的电阻器来短路电池堆从而减少电池堆阴极侧上的氧的量，并且由此减轻了阴极侧的腐蚀。已经表明这两种技术可以减轻电池堆阴极侧上的碳腐蚀。然而，可以对此作出改进。
发明内容
根据本发明的教导，披露了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统采用了通过在系统关闭和启动时将阴极再循环与电池堆短路结合在一起从而使得系统中燃料电池堆阴极侧的腐蚀最小化的工艺。压缩机提供了流向燃料电池堆阴极侧的空气流，氢源提供了流向燃料电池堆阳极侧的氢气流。第一开关将来自电池堆的功率连接到主负载，第二开关将来自电池堆的功率连接到辅助负载，第三开关将来自电池堆的功率连接到短路电阻器。交换阀将来自压缩机的空气流提供给电池堆的阳极侧。再循环管线将阴极废气再循环至电池堆的阴极侧，排出阀将氢气排入再循环管线中。控制器以选择和顺续的方式控制再循环管线、开关和交换阀中的氢气，从而提供阴极再循环以及电池堆短路。
通过以下说明书和所附权利要求书并结合附图将易于理解本发明的附加特征。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的采用使燃料电池堆阴极侧中的阴极腐蚀最小化的工艺的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
下面针对通过在系统启动和关闭时将阴极再循环工艺与电池堆短路工艺结合在一起从而使燃料电池堆阴极侧中的腐蚀最小化的工艺对本发明的多个实施例进行的讨论在本质上仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明或其应用或使用。
图1是燃料电池系统10的示意图，该燃料电池系统10包括具有阴极侧14和阳极侧16的燃料电池堆12。压缩机20提供阴极输入管线22上的压缩空气通过控制阀18到达燃料电池堆12的阴极侧14。在阳极输入管线26上由氢气源24例如压缩空气储箱提供的氢气通过控制阀28到达燃料电池堆12的阳极侧16。阴极废气管线34上的阴极废气通过控制阀36由燃料电池堆12输出。同样，阳极废气管线38上的阳极废气通过控制阀40由燃料电池堆12输出。在一些燃料电池系统设计中，管线38上的阳极废气可再循环回到管线32上的阳极输入管线26。
通过泵52将冷却流体泵送通过燃料电池堆12以及冷却流体管线50。热交换器54例如合适的散热器对由电池堆工作而得到加热的受热冷却流体进行冷却。泵52的速度，因此导致的泵送容量，可选择性地增大或者减小，从而提供所需的燃料电池堆工作温度，例如80摄氏度。同样，为了相同的目的，可控制热交换器54的大小和使空气受压通过热交换器54的风扇(未示出)的转速。与这里讨论的内容一致，控制器72控制系统10中各个阀、泵以及开关的操作。
在正常的电池堆工作过程中，阀84和90闭合，泵80断开，阀18，28，36和40打开，从而向电池堆12的阴极侧14提供空气流，并且向电池堆12的阳极侧提供氢气。同样，开关60闭合，从而由燃料电池堆12向外部电路64上的主负载62例如车辆传动列提供输出功率。开关66和68打开，从而防止来自燃料电池堆12的功率分别被传送给辅助负载68以及短路电阻器70。
当系统10被关闭时，开关60打开，且开关66立即闭合，从而使得来自电池堆12的输出功率被传送给辅助负载68，从而断开主负载62，但避免了开路电压。此外，阴极侧控制阀18和36闭合，阴极再循环泵80接通，从而使阴极侧14中的剩余气体再循环通过再循环管线82到达阴极输入管线22。此外，排出阀84选择性打开和闭合，从而将来自氢气源24的低浓度的氢气排入再循环管线82中。在一种实施方式中，排入管线82中的氢气的浓度低于4％。在本领域已公知的现有技术中存在多种在系统关闭时将氢排入燃料电池堆阴极侧中的技术。
通过将少量的氢气通过控制阀28排入阳极侧16中而使得阳极侧16保持略高于环境压力。作为氢-氧反应的结果，在管线82和阴极侧14中的氧浓度开始减小，通过辅助负载68引出的电流使得阴极电位降低。当电池堆12中的电池电压减小到预定范围如0.2-0.8V内时，开关66打开，开关68闭合，从而将电池堆12在电阻器70两端的输出短路，以便耗散电池堆输出功率的剩余量。
一旦电池电压降低到低于该范围的下端值如0.2V时，控制器72停止再循环泵80并且闭合氢排出阀84。然后控制器72打开交换阀90，打开阳极侧控制阀28和40，启动压缩机20从而利用空气以较高的流动速率在短时间内将剩余氢气从阳极侧16中吹扫出来。检测阀30防止来自压缩机20的空气流入氢气源24。然后压缩机20停止并且交换阀90闭合。因此，在关闭过程之后，电池堆12的阴极侧14和阳极侧16充满空气，阴极侧腐蚀减至最小程度。
在启动过程中，在阴极侧14和阳极侧16充满空气后并且开关68在关闭过程之后仍然闭合，再循环泵80被接通，氢气以较低的流动速率通过阴极侧14中的排出阀84被注入到再循环管线82中，从而提供例如1-2％的氢气，但不超过4％的氢气。作为阴极侧14中氢氧反应的结果，电池堆12的电压从零下降到负电压，这是因为阴极侧14中的氧被耗尽。
当电池堆12中的电池电压降低到例如-0.1V到-0.2V的预定范围时，泵80减慢转速，以便使电池堆电压逐渐减小达到更低的负电压如-0.2到-0.4V。然后再循环泵80停止，排出阀84闭合。此外，控制阀28打开，以便向阳极侧16提供来自氢气源24的氢气。此时，在阴极侧14中几乎没有氧，这是因为氧被来自排出阀84的氢气消耗掉了。此外，阳极侧16中的氧也被氢气耗掉了，该氢气从阴极侧14扩散通过膜和消散由阴极侧14中的氢电子氧化而产生的电子的电阻器70。因此，作为在来自氢气源24的新鲜氢气流入阳极侧16中时电压电位的结果，将在阴极侧14中很少或者没有发生碳腐蚀。
几秒钟之后，当阳极侧16充满氢气时，开关66闭合以将辅助负载68连接到电路64上，开关68打开以将电阻器70与电路64断开。在启动过程中，电池堆12的输出从电阻器70切换到辅助负载68上，从而避免在产生大量的电流时烧毁电阻器70。此外，从辅助负载68到主负载62的切换避免了可能损坏电池堆12的开路电压状态。阴极侧控制阀18和36然后打开，压缩机20开启，以将空气传送给阴极侧14。当电池堆12正常工作时，开关66打开，开关60闭合，从而将电池堆12连接到主负载62上。
前面的讨论仅披露和描述了本发明的典型实施例。本领域的技术人员将易于通过这种讨论且通过附图以及权利要求书意识到：可在不偏离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，对本发明作出多种改变、变型和变化。

Claims (18)

1.一种燃料电池系统，包括：
包括阳极侧和阴极侧的燃料电池堆；
压缩机，所述压缩机用于向燃料电池堆的阴极侧提供空气流；
氢源，所述氢源用于向燃料电池堆的阳极侧提供氢气；
第一开关，所述第一开关用于将来自电池堆的功率连接至主负载；
第二开关，所述第二开关用于将来自电池堆的功率连接至辅助负载；
第三开关，所述第三开关用于将来自电池堆的功率连接至短路电阻器；
交换阀，所述交换阀用于将来自压缩机的空气流提供给电池堆的阳极侧；
再循环管线，所述再循环管线用于使阴极废气再循环至电池堆的阴极侧；
排出阀，所述排出阀用于选择性将氢气排入再循环管线中；和
控制器，所述控制器用于在启动和关闭时控制该系统，其中在该电池堆的输出电压减小到第一预定范围时所述控制器打开第一开关并且闭合第二开关，从而断开第一主负载并且将该电池堆的输出联接到辅助负载上，再循环阴极废气通过再循环管线，将预定浓度的氢气排入再循环管线中，并且在关闭时使用交换阀用空气对该电池堆的阳极侧进行吹扫，其中所述控制器使阴极废气再循环通过再循环管线，将氢气排入再循环管线中直至该电池堆电压减小到第二预定范围并且闭合第三开关以在启动时短路该电池堆。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一预定范围是0.2-0.8伏特。
3.根据权利要求1所述的系统，其中氢气的预定浓度低于百分之四。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器在关闭时还将少量的氢气排入阳极侧中，从而使得阳极侧内的压力保持略高于环境压力。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器闭合第二开关以将该电池堆连接到辅助负载上，并且然后闭合第三开关从而在关闭时将短路电阻器连接到该电池堆上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器在系统启动时闭合第一开关前闭合第二开关并且打开第三开关，从而将辅助负载在主负载之前连接到该电池堆上。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二预定范围低于0.2伏特。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统位于车辆上。
9.一种燃料电池系统，包括：
包括阳极侧和阴极侧的燃料电池堆；
压缩机，所述压缩机用于向燃料电池堆的阴极侧提供空气流；
氢源，所述氢源用于向燃料电池堆的阳极侧提供氢气；
第一开关，所述第一开关用于将来自电池堆的功率连接至主负载；
第二开关，所述第二开关用于将来自电池堆的功率连接至短路电阻器；
再循环管线，所述再循环管线用于使阴极废气再循环至电池堆的阴极侧；
排出阀，所述排出阀用于将氢气排入再循环管线中；和
控制器，所述控制器用于在启动和关闭时控制系统，其中所述控制器选择性地闭合第二开关并且通过排出阀将氢气选择性地排入再循环管线中，从而将电池堆短路工艺和阴极再循环工艺组合在一起，以使阴极腐蚀最小化。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括第三开关，所述第三开关用于将来自电池堆的功率连接至辅助负载，从而在关闭时断开主负载但避免了开路电压，并且在启动时连接主负载之前断开短路电阻器。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制器在关闭时将少量的氢气排入阳极侧中，从而使得阳极侧内的压力保持略高于环境压力。
12.一种用于在电池堆关闭时使燃料电池堆中的阴极侧腐蚀最小化的方法，所述方法包括：
打开第一开关，以将主负载与电池堆断开；
闭合第二开关，用于将辅助负载连接到该电池堆上；
接通阴极再循环泵，从而将阴极废气再循环至该电池堆的阴极侧；
选择性地打开和闭合用于将氢气排入该电池堆的阴极侧中的排出阀；
当电池堆电池电压下降到预定范围时打开第二开关并且闭合第三开关，从而将该电池堆连接到短路电阻器上；
打开交换阀并且启动压缩机，从而使用空气流对该电池堆的阳极侧进行吹扫；以及
在该电池堆的阴极侧和阳极侧充满空气时停止压缩机并且闭合该交换阀。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述预定范围是0.2-0.8伏特。
14.根据权利要求12所述的方法，其中选择性地打开和闭合排出阀包括选择性地打开和闭合排出阀直到阴极侧中的氢气浓度低于4％。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括在电池堆电池电压降达到第一预定范围的下端值时停止再循环泵并且闭合该氢气排出阀。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括将少量的氢气排入阳极侧中，从而使阳极侧中的压力略高于环境压力。
17.一种在电池堆启动时使燃料电池堆中的阴极侧腐蚀最小化的方法，所述方法包括：
接通再循环泵并且将氢气排入再循环管线中，从而在该电池堆的阴极侧中提供预定浓度的气体；
在该电池堆中的燃料电池电压达到预定的负电压范围时停止再循环泵并且闭合排出阀；
用氢气充注该电池堆的阳极侧；
将短路电阻器与该燃料电池堆断开并且将辅助负载连接到该燃料电池堆上；
向燃料电池堆的阴极侧提供空气流；以及
断开辅助负载并且将主负载连接到燃料电池堆上。
18.根据权利要求14所述的方法，其中将氢气排入再循环管线中包括将足够的氢气排入再循环管线中以提供浓度小于4％的氢气。
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