CN101431162A - 燃料电池系统启动时的辅助堆阳极净化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统启动时的辅助堆阳极净化。提供一种在启动时可辅助阳极净化的燃料电池系统。燃料电池系统包括燃料电池堆，该燃料电池堆包括具有阴极和阳极的多个燃料电池。该燃料电池堆具有与阳极流体连通的阳极供气总管和阳极排气总管。燃料电池系统还包括与阳极供气总管和阳极排气总管中至少之一流体连通的抽吸装置。抽吸装置用于在燃料电池系统启动阶段在燃料电池堆上选择性地造成部分真空。还提供一种用于启动燃料电池系统的方法。

Description

燃料电池系统启动时的辅助堆阳极净化

技术领域

本发明涉及燃料电池系统，且特别涉及，启动系统和用于在启动时净化燃料电池堆的阳极的方法。

背景技术

燃料电池被推荐为一种用于电动车辆和各种其他应用的清洁、高效且对环境有益的能源。特别是，燃料电池被认为是现代车辆中所用的内燃机的潜在替代选择。

公知的一种燃料电池为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池通常包括三个基本组件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括磨碎的催化剂，如铂，催化剂以碳颗粒为载体并与离聚物混合。电解质膜夹在阴极、阳极之间，形成膜电极组件(MEA)。MEA通常置于多孔扩散介质(DM)之间，该扩散介质有利于电化学燃料电池反应的气体反应物的输送，典型气体反应物为氢气和氧气。

单个燃料电池可串联堆叠以形成燃料电池堆。在燃料电池堆的启动过程中，通常使用氢气净化阳极，该阳极具有在电池堆停止工作的过程中扩散进入阳极并累积起来的空气。在停止工作一段时间后，进入阳极的氢气流动形成了穿过阳极的“氢气-空气峰面(hydrogen-air front)”。希望该净化快速进行，以使公知的碳降解最小化，该碳降解在阴极存在氧气的情况下当氢气-氧气峰面运动穿过阳极时发生。传统的燃料电池系统在净化中主要利用氢气压力来移除累积的空气。但是，填充的速度受燃料电池堆的压力限制和穿过燃料电池系统的流动阻力限制。

为了减轻碳降解，有时在净化过程中使燃料电池堆短路。但是，不同步地向燃料电池传输氢气也可能引起碳腐蚀。例如，最靠近氢气源的燃料电池首先接收氢气，而短路直到大部分燃料电池都接收到氢气才有效。这样，首先接收氢气的燃料电池可能由于氢气-空气峰面的影响而经历未得到减轻的腐蚀。另外，当许多燃料电池开始接收氢气时，短路开始起作用。但是，未接收氢气的燃料电池可能在被称为“电池反极”的现象中经历负电压。电池反极还导致燃料电池堆发生不期望的碳腐蚀。

空气在启动过程中旁路至燃料电池堆的排气装置，从而稀释排出的净化氢气。车辆排放标准通常要求排出的氢气浓度低于4％的体积百分比。但是，由于燃料电池系统在停止工作一段时间之后的状态不一致，例如累积在阳极上的空气量变化，已知的燃料电池系统在启动阶段优化氢气排放物方面并不特别有效。

仍然需要一种燃料电池系统和方法，以在满足所希望的氢气尾气排放标准的同时实现高效启动。较理想的是，该燃料电池系统和方法通过优化启动过程中的氢气-空气峰面时间实现具有最小电池堆性能衰减的快速系统启动。

发明内容

依照本发明，公开了一种燃料电池系统和方法，提供满足氢气尾气排放标准并使氢气-空气峰面时间和电池堆衰减最小化的高效启动。

在一个实施方式中，燃料电池系统包括有多个具有阴极和阳极的燃料电池的燃料电池堆。该燃料电池堆具有与阳极流体连通的阳极供气总管和阳极排气总管。抽吸装置至少与阳极供气总管和阳极排气总管中的至少一个流体连通。该抽吸装置用于在燃料电池系统的启动过程中在燃料电池堆上选择性地造成部分真空。

在另一实施方式中，用于启动燃料电池系统的第一方法包括下述步骤，提供燃料电池堆，该燃料电池堆具有与第一净化阀和阳极进气阀流体连通的阳极供气总管，所述阳极进气阀用于向所述阳极供气总管选择性输送氢气。阳极排气总管与阳极排气阀流体连通。还提供与第一净化阀和阳极排气阀流体连通的抽吸装置。该第一方法还包括下列步骤：通过打开第一净化阀和阳极排气阀中的至少一个，在燃料电池堆上造成部分真空；关闭阳极排气阀；通过打开阳极进气阀，利用氢气净化阳极供气总管；当阳极供气总管基本上被氢气充满时，关闭第一净化阀；通过打开阳极排气阀，向阳极和阳极排气总管供应氢气；以及向阴极供应空气。由此，使燃料电池堆处于运行模式。

在另一实施方式中，用于启动燃料电池系统的第二方法包括下述步骤，提供燃料电池堆，该燃料电池堆具有与第一净化阀和阳极进气阀流体连通的阳极供气总管，所述阳极进气阀用于向阳极供气总管选择性输送氢气。阳极排气总管与第二净化阀和阳极排气阀流体连通。还提供与第一净化阀和第二净化阀流体连通的抽吸装置。该第二方法还包括下列步骤：通过打开第一净化阀，在阳极供气总管上造成部分真空；通过打开阳极进气阀，利用氢气净化阳极供气总管；当阳极供气总管基本上被氢气充满时，关闭第一净化阀；通过打开第二净化阀和阳极排气阀，在阳极排气总管上造成部分真空，其中氢气被供应给阳极和阳极排气总管；当阳极基本上被氢气充满时关闭第二净化阀；以及向燃料电池堆的阴极供应空气。由此，使燃料电池系统处于运行模式。

附图说明

通过后面的详细说明，尤其是在结合下面所述附图的情况下，本领域技术人员可以清楚理解本发明的上述以及其他优点。

图1示出了根据本发明的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图，图中仅示出了两个电池。

图2是图1所示燃料电池堆的示意性剖视图，示出了与进气阀、排气阀和净化阀流体连通的多个燃料电池。

图3是根据本发明实施方式的燃料电池系统的流程示意图，虚线表示可选择的连接。

图4是图3所示燃料电池系统的流程示意图，该系统具有用于辅助燃料电池系统阳极净化的喷射器，虚线表示可选择的连接。

图5是图3所示燃料电池系统的流程示意图，该系统具有用于辅助燃料电池系统阳极净化的空气压缩器和限流器。

具体实施方式

以下仅为示例性描述，且不做为对本发明范围、应用或实施的限定。应理解的是，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部分或特征。对于所公开的方法，给出的步骤实际上仅为示例性的，而并不是必要和决定性的。

图1描述了燃料电池堆2，其具有一对被导电性双极板8分隔开的膜电极组件MEA4和6。为简化起见，图1中仅示出一个双电池堆(即，一个双极板)，应明白典型的燃料电池堆可具有很多个这样的电池和双极板。

膜电极组件MEA4、6和双极板8堆叠在一起，介于一对夹板10、12和一对单极端板14、16之间。夹板10、12与端板14、16通过垫圈或绝缘涂层(未示出)而电绝缘。单极端板14、双极板8的两工作面和单极端板16包括流场18、20、22、24。流场18、20、22、24使氢气和空气分别在膜电极组件MEA4和6的阳极和阴极上分布。

非导电的垫圈26、28、30、32在燃料电池堆2的若干组件之间提供密封和电绝缘。透气的扩散介质34、36、38、40与膜电极组件MEA4和6的阳极邻接。端板14、16分别置于扩散介质34、40附近，而双极板8置于与MEA4的阳极面上的扩散介质36邻近。双极板8进一步置于与MEA6的阴极面上的扩散介质38邻近。

双极板8，单极端板14、16，和垫圈26、28、30、32均包括阳极进气孔72和阳极排气孔74，阴极进气孔76和阴极排气孔78，和冷却剂进入孔80和冷却剂排出孔82。通过使双极板8，单极端板14、16以及垫圈26、28、30、32中的相应开孔72、74、76、78、80、82对齐构成燃料电池堆2的供气总管、排气总管和冷却剂总管。

阳极进气孔72和阳极排气孔74分别与阳极进气管84和阳极排气管86流体连通。阴极进气管88和阴极排气管90分别与阴极进气孔76和阴极排气孔78流体连通。冷却剂进入孔80和冷却剂排出孔82分别与冷却剂进入管92和冷却剂排出管94流体连通。应理解图1中的各个进口84、88、92和出口86、90、94的构造是为了说明的目的，也可以根据需要选择其它构造。

如图2所示，燃料电池堆2可包括多个燃料电池200。组装好的燃料电池堆2具有阳极供气总管202和阳极排气总管204。阳极供气总管202用于通过阳极进气管84接收氢气流，并将氢气输送到多个燃料电池200的阳极中。阳极排气总管204用于接收来自多个燃料电池200阳极的氢气流，并将氢气输送到阳极排气管86。燃料电池堆2还可包括与阳极供气总管202流体连通的供气总管净化管206和与阳极排气总管204流体连通的排气总管净化管208中的至少一个。

在特定的实施方式中，阳极供气管84与阳极进气阀210流体连通。阳极排气阀212与阳极排气管86流体连通。第一净化阀214与供气总管净化管206流体连通。第一净化阀214在打开位置时，促进对来自阳极供气总管202的氢气的净化作用。第二净化阀216可与阳极排气总管204流体连通。第二净化阀216在打开位置时，促进对来自阳极排气总管的气体的净化作用。应明白，在燃料电池堆2阳极的净化中，可根据需要单独地或以任意组合的方式使用阳极排气阀212、第一净化阀214和第二净化阀216。

图3示出了根据本发明实施例的燃料电池系统300。燃料电池系统300包括燃料电池堆2。燃料电池堆2包括阳极进气管84和阳极排气管86，以及阴极进气管88和阴极排气管90。进气管84、88和排气管86、90中每一个均与多个燃料电池200的相应阳极和阴极流体连通。在特定实施例中，燃料电池堆2连接到电负载，如电动车辆中的电驱动电机(图中未示出)。

燃料电池系统300包括空气压缩器302，该空气压缩器与阴极进气管88流体连通。空气压缩器302用于接收例如来自环境大气的空气，然后将空气供给燃料电池堆2的阴极。燃料电池系统300还包括为燃料电池堆2的阳极提供氢气的氢气源304。作为非限制性实施例，氢气源304可为具有压缩氢气的高压贮存罐。应理解，可以根据需要采用其他适当的氢气源304。

阳极进气阀210置于氢气源304和燃料电池堆2的阳极进气管84之间。阳极进气阀210用于从氢气源304向燃料电池堆2的阳极选择性供应氢气。

燃料电池系统300还包括旁路阀306，其位于空气压缩器302和燃料电池堆2之间。旁路阀306用于选择性地引导来自空气压缩器302的空气流围绕燃料电池堆2。在一个实施方式中，旁路阀306将来自空气压缩器302的空气流引导至排气装置。该空气与剩余的氢气以及由燃料电池堆2阳极排出的产物混合并进行稀释。

空气供气阀308可设置成与空气压缩器302和燃料电池堆2流体连通。除旁路阀306之外，还可采用空气供气阀308来控制至燃料电池堆2的空气流。例如，旁路阀306和空气供气阀308可转换为阻止过分的氢气排出物。应明白，当燃料电池堆2被填充时，氢气可穿过聚合物电解质膜移动到阴极，例如通过扩散和电化学泵送作用(electro-chemical pumping)。当空气流向燃料电池堆2时，阴极中的氢气被强制排出至排气装置中。通过使旁路阀306和空气供气阀308的打开和关闭交迭，在用空气填充阴极的过程中，提供至燃料电池堆2的排气装置的空气量足以稀释离开阴极的氢气。

在本发明的特定实施方式中，燃料电池系统300包括抽吸装置310。抽吸装置310与燃料电池堆2的阳极供气总管202和阳极排气总管204中的至少一个流体连通。抽吸装置310在燃料电池系统300的启动操作中，用于选择性地在燃料电池堆2上造成至少部分真空。抽吸装置310形成低于环境压力的真空，这有助于用氢气充满燃料电池堆2。例如，抽吸装置310可提供比环境压力至少低约5KPa的真空。在另一非限制性实施例中，抽吸装置310提供比环境压力低高达约40KPa的真空。应明白，也可根据需要采用其他合适的真空。

例如，抽吸装置310可用于选择性地在阳极供气总管202和阳极排气总管204中的至少一个上造成部分真空。抽吸装置310也可用于选择性地在燃料电池堆2整体上造成部分真空，即，在阳极以及阳极供气总管202和阳极排气总管204两者上同时造成部分真空。抽吸装置310尤其用于在启动过程中，辅助利用氢气实现所述总管的净化和燃料电池堆2阳极的填充。

抽吸装置310与阳极排气阀212、第一净化阀214和第二净化阀216中的至少一个流体连通。应理解，当阳极排气阀212、第一净化阀214和第二净化阀216中的一个处于打开位置时，抽吸装置310可在燃料电池堆2上造成部分真空。同样，当与抽吸装置310流体连通的阳极排气阀212、第一净化阀214和第二净化阀216全部处于关闭位置时，抽吸装置310不能在燃料电池堆2上造成部分真空。因此，阀门212、214和216的致动用于在燃料电池堆2上选择性地造成真空。

作为非限制性实施例，当通过阳极进气阀210供应氢气时，第一净化阀214处于打开位置，而其它阀门212、216(如果有的话)关闭，所述部分真空基本上只在阳极供气总管202上形成。作为另一非限制性实施例，当第一净化阀214和阳极排气阀212处于打开位置时，可在燃料电池堆2整体上形成部分真空，包括阳极供气总管202、阳极排气总管204和多个燃料电池200的阳极。

本发明的燃料电池系统300还可包括与燃料电池堆2电通信的至少一个堆短路装置(未示出)。在特定实施例中，该堆短路装置为电阻。堆短路装置用于在启动过程中对燃料电池堆2作用阻性负载，以防止由碳腐蚀引起的燃料电池衰减。合适的堆短路装置在序列号为11/684302的、受让人的共同未决的美国申请中已有描述，这里通过引用的方式结合其全文。也可以根据需要采用其它合适的堆短路装置。

燃料电池300中还可以采用阳极再循环泵(未示出)。一个合适的阳极再循环泵在序列号为11/671017的、受让人的共同未决的美国申请中已有描述，这里通过引用的方式结合其全文。阳极再循环泵可与阳极供气总管202和阳极排气总管204流体连通。阳极再循环泵用于在运行中使燃料电池堆2排出的残留氢气再循环。阳极再循环泵将残留氢气送回阳极供气总管202，该残留氢气在阳极供气总管处可被用于燃料电池堆2电化学反应。

燃料电池系统300也可具有阳极放气阀(未示出)，用于排出燃料电池堆2中累积的氮气。例如，由于聚合物电解质膜被阴极空气穿透以及带有残留氢气的阳极排气通过阳极再循环泵而再循环至阳极供气主管202，导致氮气累积。在特定的实施方式中，阳极排气阀212、第一净化阀214和第二净化阀216中的至少一个可用作阳极放气阀。

燃料电池系统300可采用现有技术中已知的其他燃料电池系统部件。例如，燃料电池系统可能包括下述部件中的至少一个：例如，湿度传感器、电压传感器、压力传感器、水蒸汽传输装置、控制器、背压阀、中冷器。在特定实施方式中，燃料电池系统300包括多个相同构造的燃料电池堆2。

图4和图5示出了燃料电池系统300的其他实施方式。与图1至图3相同或相关联的重复结构用带有单引号(’)或双引号(”)的附图标号表示。

在图4所示的实施方式中，燃料电池系统300’的抽吸装置310’为喷射器，例如喷射泵、文丘里喷射嘴或吸气器。抽吸装置310’包括原动端口(motive port)、排出端口和抽吸端口。抽吸装置310’用于接收通过原动端口和排出端口的流体原动流(如，空气流)并在抽吸端口处形成抽吸。该抽吸能根据需要在燃料电池堆2上造成部分真空。

抽吸装置310’的原动端口与原动流发生器流体连通，该原动流发生器诸如为在运行过程中用于为燃料电池堆2提供空气的空气压缩器302。但是，原动流发生器也可以是第二空气压缩器。应明白，也可以根据需要采用其它合适的原动流发生器。

在一个特定的实施例中，抽吸装置310’的原动端口与旁路阀306和空气压缩器302流体连通。当旁路阀306设计为例如在启动过程中使空气流绕过燃料电池堆2时，该空气流被引导通过抽吸装置310’的原动端口。该空气流提供原动力，从而能在抽吸端口处进行抽吸。然后该空气流连同在抽吸端口处被吸入的气体一起被导出排出端口至燃料电池系统300’的排出装置。

本领域技术人员应理解抽吸装置310’可用于设置抽吸氢气流和原动空气流的比例，以使从抽吸装置310’排出的氢气浓度低于氢气在空气中的可燃下限(LFL)。在特定实施方式中，抽吸装置310’设置氢气流和原动空气流的比例，以使排出的氢气浓度低于约四个体积百分比(4％)。

如图5所示，燃料电池系统300”的抽吸装置310”包括空气压缩器302和限流器500，如用于抑制被空气压缩器302吸引通过的空气流的空气过滤器。也可根据需要使用其它合适的限流器500，如限流阀。空气压缩器302与限流器500流体连通。在启动阶段，在空气压缩器302的运行过程中，限流器500和空气压缩器302之间形成减压区502。应明白，由于限流器500阻止空气流向空气压缩器302，从而产生足以在燃料电池堆2上形成部分真空的压降。例如，燃料电池系统300”包括旁路阀306，用于选择性地从空气压缩器302引导空气流绕过燃料电池堆2并进入排气装置。

本发明包括启动燃料电池系统300的第一方法。该方法包括提供燃料电池系统300的步骤。例如，燃料电池系统300可具有燃料电池堆2，该燃料电池堆具有与阳极流体连通的阳极供气总管202和阳极排气总管204。燃料电池堆2的阳极供气总管202与阳极进气阀流体连通，该阀用于将来自氢气源304的氢气选择性地输送到阳极供气总管。阳极供气总管202还与第一净化阀214流体连通。阳极排气总管204与阳极排气阀212流体连通。所提供的燃料电池系统300还包括抽吸装置310，该抽吸装置与第一净化阀214和阳极排气阀212流体连通。抽吸装置310用于根据需要在燃料电池堆2上造成部分真空。

根据第一方法，阳极排气阀212和第一净化阀214中的至少一个打开。在特定实施方式中，阳极排气阀212和第一净化阀214同时打开。打开与抽吸装置流体连通的阳极排气阀212和第一净化阀214中的至少一个，在燃料电池堆2整体上产生部分真空。应明白，同时打开阳极排气阀212和第一净化阀214防止将气体从阳极供气总管202和阳极排气管204中的一个吸引至燃料电池200的阳极。这样，通过最初在燃料电池堆2的阳极供气总管202和阳极排气总管204这两侧造成部分真空，防止氢气-空气锋面穿过阳极。

接下来，该方法包括关闭阳极排气阀212的步骤。然后打开阳极进气阀210，从而在阳极供气总管202中进行净化。在该净化步骤中，应明白氢气可以一定的流速通过阳极进气阀210被供应，该流速防止氢气流进入燃料电池200的阳极。例如，以足以保持燃料电池堆2的内部真空的速率供应氢气。燃料电池堆的内部真空可基本上等于在通过阳极进气阀210引入氢气之前造成的真空。氢气通过阳极供气总管202和与抽吸装置310流体连通的第一净化阀214被引入，进而防止氢气进入燃料电池堆2阳极的任何明显移动。净化步骤持续足够用氢气基本上填满供气总管202的时间。

阳极供气总管202净化后，第一净化阀214关闭且阳极排气阀212打开。燃料电池200的阳极和阳极排气总管204然后在“堆充气”步骤中通过氢气被净化。当打开阳极排气阀212时，氢气的流速增大，以利于快速填充阳极和阳极排气总管204。应理解，在这个步骤中，通过在阳极排气阀212造成部分真空，有助于阳极和阳极排气总管204的填充。堆充气步骤持续足够用氢气基本上填满燃料电池200阳极的时间。

为了完成燃料电池系统300的启动，将空气通入燃料电池200的阴极。例如，由空气压缩器302提供空气。在向阴极供应空气的步骤中，旁路阀306和空气供气阀308中的至少一个用于将空气引向燃料电池堆2的阴极进气管88。

再次参见图4，第一方法可使用抽吸装置310’，例如具有原动端口、排出端口和抽吸端口的喷射器。抽吸端口可与阳极排气阀212和第一净化阀214中的至少一个流体连通。空气压缩器302也可设置成与抽吸装置310’的原动端口流体连通。因此在运行中，该方法包括启动空气压缩器302以向抽吸装置310’提供原动空气流的步骤。空气压缩器302在燃料电池堆2上产生真空之前启动，以使抽吸装置310’能产生足够的吸力造成真空。

该方法还包括提供与燃料电池堆2电通信的堆短路装置的步骤。堆短路装置在阳极充满氢气之前工作。因此，将电负载施加于燃料电池堆2，以防止在阳极充满氢气的同时，燃料电池堆2发生碳腐蚀。阳极基本上充满了氢气后，堆短路装置不工作。

本领域技术人员应理解，在常规停止过程中，通常在燃料电池堆2的阳极内形成部分真空。由于氢气被消耗而没有得到补充，阳极气体冷却和水蒸汽凝结，导致阳极、阳极供气总管202和阳极排气总管204的压力低于环境压力。这样，在传统的系统中，打开阳极排气阀212会导致空气从周围环境进入压力低于环境压力的阳极的回流。该回流产生了不希望的氢气-空气锋面，这会导致碳腐蚀和性能衰减。本发明的燃料电池系统300、300’和第一方法通过在阳极中填充氢气防止空气回流进入燃料电池堆2。

本发明还包括用于启动燃料电池系统300的第二方法。第二方法也包括提供燃料电池系统300的步骤。例如，燃料电池堆2包括与阳极进气阀210和第一净化阀214流体连通的阳极供气总管202。但与第一方法不同，阳极排气总管204与阳极排气阀212和第二净化阀216流体连通。抽吸装置310也设置成与第一净化阀214和第二净化阀216流体连通，并用于根据需要在燃料电池堆2上造成真空。

根据第二方法，当第一净化阀214打开时，抽吸装置310基本上只在阳极供气总管202上选择性地造成真空。在运行中，在阳极供气总管202上造成部分真空之后进行净化步骤。在净化步骤中，阳极进气阀210打开，且阳极供气总管202基本上充满氢气。在阳极供气总管202中基本上充满了氢气之后，第一净化阀214关闭。

接下来，该方法包括通过打开阳极排气阀212和第二净化阀216在阳极排气总管204上造成部分真空的步骤。可大致在打开阀212和216同时关闭第一净化阀214。由于阳极进气阀210已经打开，打开阀门212和216，从而在堆充气步骤中，允许氢气净化阳极和阳极排气总管204。打开均与抽吸装置310流体连通的阳极排气阀212和第二净化阀216，便于阳极和阳极排气总管204快速充满氢气。特别是，打开阀门212和216使氢气流动通过阳极和阳极排气总管204的阻力最小化。例如，当阳极基本上充满氢气时，第二净化阀216关闭。

与本文描述的第一方法相同，根据第二方法，当空气被供应给燃料电池堆2的阴极时，完成燃料电池系统300的启动。随着氢气流向阳极而空气流向阴极，燃料电池系统300处于运行状态。

再次参见图5，第二方法可采用具有抽吸装置310”的燃料电池系统300”，如与限流器500流体连通的空气压缩器302，且在该空气压缩器与限流器之间具有减压区502。在该结构中，第一净化阀214和第二净化阀216与减压区502流体连通。当第二方法使用抽吸装置310”时，该方法包括在阳极供气总管202产生部分真空之前启动空气压缩器的步骤。由此在减压区502中产生足以在燃料电池堆2上产生部分真空的真空。

应理解，本文所述的燃料电池系统300、300’、300”以及方法通过选择性地产生部分真空，从燃料电池堆2的阳极排出在燃料电池系统停止工作期间累积的空气。这样，通过在燃料电池堆2上产生部分真空，促进了氢气对阳极的净化和填充。特别是，因为通过从燃料电池堆2中排出了累积的空气，降低了移除空气所需的氢气压力。

本领域技术人员应理解，本发明的燃料电池系统300、300’、300”以及方法防止氢气流在阳极供气总管202的净化中进入多个燃料电池200的阳极。例如，在氢气净化步骤之前，在阳极供气总管202上形成的部分真空允许快速填充，而不超过迫使氢气进入燃料电池对2阳极的压力限值。

通过在阳极供气总管202和阳极排气总管204中的至少一个上造成部分真空，促进了利用氢气实现的燃料电池堆2的净化和填充，这也有利于快速稳定的启动。燃料电池系统300、300’、300”以及方法使氢气在燃料电池堆2阳极中大致均匀分布。当氢气-空气锋面响应于在燃料电池堆2上形成的氢气压力和部分真空而以“快速锋面(fast front)”的方式快速移动时，防止发生电池反极、负电池电压和碳腐蚀。因此，优化了燃料电池堆2的耐用性。

本发明的燃料电池系统300、300’、300”以及方法还使氢气排放最小化。例如，由于通过在燃料电池堆2上造成部分真空而促进了该燃料电池堆的阳极净化和充气过程，供应给燃料电池堆2的氢气压力可得以减小。传统的燃料电池系统依靠氢气压力来移除累积的空气与未知化合物的残留氢气的混合物。燃料电池堆2上形成的部分真空使得可利用更少的氢气来移除停止工作后存在的气体。通过本发明的燃料电池系统300、300’、300”以及方法，有利于为燃料电池堆2运行提供足够量的氢气，同时保证排出排出的氢气浓度不超过体积百分比的百分之四。

以上为说明本发明的目的示出了一些有代表性的实施例和细节，但是本领域技术人员显然可在不背离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下作出不同的改进。

Claims (20)

1、一种燃料电池系统，包括：

包括多个具有阳极和阴极的燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆具有与所述阳极流体连通的阳极供气总管和阳极排气总管；和

与所述阳极供气总管和阳极排气总管中的至少一个流体连通的抽吸装置，该抽吸装置用于在所述燃料电池系统的启动阶段在所述燃料电池堆上选择性地抽吸出部分真空。

2、如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供气总管流体连通的第一净化阀、与所述阳极排气总管流体连通的第二净化阀和与所述阳极排气总管流体连通的阳极排气阀中的至少一个。

3、如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述抽吸装置与第一净化阀、第二净化阀和阳极排气阀中的至少一个流体连通。

4、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述抽吸装置为具有原动端口、排出端口和抽吸端口的喷射器。

5、如权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述阳极供气总管和阳极排气总管中的至少一个与所述喷射器的抽吸端口流体连通。

6、如权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述喷射器的原动端口与原动流发生器流体连通。

7、如权利要求6所述的燃料电池系统，其中所述原动流发生器为空气压缩器。

8、如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述抽吸装置包括与限流器流体连通的空气压缩器。

9、如权利要求8所述的燃料电池系统，其中当所述空气压缩器工作时，在所述空气压缩器和限流器之间形成减压区。

10、如权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述限流器为过滤器。

11、一种用于启动燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤：

提供包括具有阴极和阳极的多个燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆具有与阳极流体连通的阳极供气总管和阳极排气总管，所述阳极供气总管与第一净化阀和阳极进气阀流体连通，该阳极进气阀用于向所述阳极供气总管选择性地输送氢气，所述阳极排气总管与阳极排气阀流体连通；

提供与第一净化阀和阳极排气阀流体连通的抽吸装置；

通过打开第一净化阀和阳极排气阀中的至少一个，在所述燃料电池堆上抽吸出部分真空；

关闭所述阳极排气阀；

通过打开所述阳极进气阀，用氢气净化所述阳极供气总管；

当所述阳极供气总管基本上充满氢气时关闭第一净化阀；

通过打开所述阳极排气阀，向所述阳极和阳极排气总管输送氢气；和

向所述阴极提供空气，其中所述燃料电池堆处于运行模式。

12、如权利要求11所述的方法，其中所述抽吸装置是包括原动端口、排出端口和抽吸端口的喷射器，所述抽吸端口与第一净化阀和阳极排气阀中的至少一个流体连通。

13、如权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

提供与所述喷射器的原动端口流体连通的空气压缩器；和

在所述燃料电池堆上抽吸出部分真空的步骤之前启动所述空气压缩器，其中向所述喷射器提供原动空气流。

14、如权利要求13所述的方法，其中在所述阳极供气总管的净化步骤中，所述阳极进气阀以防止氢气流进入阳极的流速输送氢气。

15、如权利要求13所述的方法，其中氢气流与原动空气流的比例使得排出的氢气浓度小于约百分之四的体积百分比。

16、如权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

提供与所述燃料电池堆电连通的堆短路装置；

在阳极充满氢气之前使所述堆短路装置工作，其中将电负载施加于所述燃料电池堆；和

在所述阳极基本上充满了氢气后，使所述堆短路装置不工作。

17、如权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

提供与所述阳极供气总管和阳极排气总管流体连通的阳极再循环泵，该阳极再循环泵用于使从所述燃料电池堆排出的残留氢气再循环；

在阳极充满氢气前，使氢气从所述阳极排气总管绕所述阳极再循环泵流动；

使所述阳极再循环泵充满氢气；和

在所述阳极和阳极排气总管基本上充满氢气后，将氢气从所述阳极排气总管送至所述再循环泵。

18、一种用于启动燃料电池系统的方法，该方法包括以下步骤：

提供包括具有阴极和阳极的多个燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆具有与阳极流体连通的阳极供气总管和阳极排气总管，所述阳极供气总管与第一净化阀和阳极进气阀流体连通，所述阳极进气阀用于向所述阳极供气总管选择性地输送氢气，所述阳极排气总管与第二净化阀和阳极排气阀流体连通；

提供与第一净化阀和第二净化阀流体连通的抽吸装置；

通过打开第一净化阀在所述阳极供气总管上抽吸出部分真空；

通过打开所述阳极进气阀，用氢气净化所述阳极供气总管；

当所述阳极供气总管基本上充满氢气时，关闭第一净化阀；

通过打开第二净化阀和阳极排气阀，在所述阳极排气总管上抽吸出部分真空，其中氢气被送往所述阳极和阳极排气总管；

当所述阳极基本上充满氢气时，关闭第二净化阀；和

向所述阴极提供空气，其中所述燃料电池系统处于运行模式。

19、如权利要求18所述的方法，其中所述抽吸装置为与限流器流体连通的空气压缩器，在所述限流器和空气压缩器之间有减压区，该减压区与第一净化阀和第二净化阀流体连通。

20、如权利要求19所述的方法，还包括在所述阳极供气总管上抽吸出部分真空的步骤之前启动所述空气压缩器的步骤，其中在所述减压区中产生抽吸作用。

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