CN101546839A - 利用氢充注燃料电池阳极供应歧管以用于启动的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用氢充注燃料电池阳极供应歧管以用于启动的方法。公开了一种在启动操作之前利用氢气充注燃料电池阳极供应歧管以使横跨燃料电池的氢气分布基本均匀的方法。阳极供应歧管与氢气源流体连通。与阳极供应歧管流体连通的第一阀门和与阳极排出歧管流体连通的第二阀门最初处于关闭的位置，而氢气供应给阳极入口导管以对燃料电池堆加压。然后打开第一阀门以从阳极供应歧管中吹扫出至少一部分流体以促进利用氢气充注歧管。

Description

利用氢充注燃料电池阳极供应歧管以用于启动的方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池系统的操作方法。更具体地，本发明涉及一种在燃料电池系统启动操作之前利用氢充注阳极供应歧管，以使横跨(across)单个燃料电池入口的氢分布均匀的方法。
背景技术
燃料电池系统把燃料电池堆中的燃料和氧化剂转化成电力。一种类型的燃料电池系统采用质子交换膜(下称“PEM”)。PEM是利于将质子从燃料电池系统中通常配置的各单个燃料电池中的阳极传送到阴极的固体聚合物电解质膜。电极和膜一起形成了膜电极组件(MEA)。电极包含催化剂以催化地促使燃料(例如氢)和氧化剂(例如氧气或空气)反应以产生电力。
在一种典型的PEM燃料电池中，MEA设置在气体扩散介质(GDM)之间。GDM和MEA设置在一对导电板之间。如果该板是双极板，则该板在燃料电池系统中的相邻燃料电池之间传导电流。如果该板是位于燃料电池系统的端部的单极板，则该板将电流传导到燃料电池的外部。
如申请人共同待审的美国专利申请No.11/762,845中所述，这里引入其全部内容作为参考，阳极供应歧管吹扫操作的目的是在启动期间利用氢气充注阳极的活性区域之前，用氢气完全充注阳极供应歧管。通常，通过打开位于阳极供应歧管的顶部处的歧管吹扫阀，用氢气充注阳极供应歧管，同时产生氢气流到阳极供应歧管的底部中。
氢气的流速，和吹扫阀的流阻一起，在阳极供应中形成了反压力。随着反压力在阳极供应歧管中的增加，会导致供应歧管底部中的氢气流入燃料电池堆底部处的燃料电池板的活性区域中。随着氢气流入燃料电池板的活性区域中，可能会测量到局部电压升。电压升高产生了通过燃料电池堆的剩余燃料电池板驱动的电流。没有足够量的氢气以支持电流的燃料电池堆中的燃料电池将经受局部的反向电流，由此导致电极碳腐蚀。另外，没有足够量的氢的燃料电池处于氢不足状态。为了克服氢不足，必须使附加的氢气流入燃料电池堆，由此增加了燃料电池系统的启动时间。
所希望的是研发出一种在启动操作之前利用氢气充注燃料电池系统的阳极供应歧管的方法，其中阳极供应歧管基本上均匀地充注有氢气，而且防止了利用氢气非均匀地充注燃料电池堆中的燃料电池的活性区域。
发明内容
与现在的方法相协调的和一致的，令人意外的发现了一种在启动操作之前利用氢气充注燃料电池系统的阳极供应歧管的方法，其中阳极供应歧管基本上均匀地充注有氢气，并且防止了燃料电池堆的燃料电池的活性区域非均匀地充注有氢气。
在一个实施例中，在启动期间利用氢气充注燃料电池阳极供应歧管的方法包括提供具有多个燃料电池的燃料电池堆的步骤，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管，阳极供应歧管具有设置在其中的流体并与氢气源流体连通；提供与阳极供应歧管流体连通的第一阀门的步骤；提供与阳极排出歧管流体连通的第二阀门的步骤；利用处于关闭位置的第一阀门和第二阀门为阳极供应歧管提供氢气以将燃料电池堆加压达到所需压力的步骤；打开第一阀门以利于吹扫来自阳极供应歧管的至少一部分流体以促进利用氢气充注歧管。
在另一实施例中，在启动期间利用氢气充注燃料电池阳极供应歧管的方法包括以下步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管，阳极供应歧管具有设置在其中的流体并且与氢气源流体连通；提供与燃料电池的阳极流体连通的阳极排出歧管和设有与阳极供应歧管流体连通的第一阀门的排出系统；提供与阳极排出歧管流体连通的第二阀门；在阳极供应歧管的出口和第一阀门之间提供腔室；在阳极排出歧管的出口和第二阀门之间提供腔室；利用处于关闭位置的第一阀门和第二阀门为阳极供应歧管提供氢气以将燃料电池堆加压达到所需的压力；打开第一阀门以利于吹扫来自阳极供应歧管的至少一部分流体以促进利用氢气充注歧管；以及关闭第一阀门并且打开第二阀门以使氢气以基本相同的速率流入燃料电池的活性区域。
在另一实施例中，燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管；与阳极供应歧管流体连通的阳极入口导管，该阳极入口导管提供氢气源和阳极供应歧管之间的流体连通；与燃料电池的阳极和排出系统流体连通的阳极排出歧管；与阳极供应歧管流体连通的第一阀门；与阳极排出歧管流体连通的第二阀门；在阳极供应歧管和第一阀门以及阳极排出歧管和第二阀门的至少一种之间设置的至少一个腔室。
附图说明
通过阅读下面的详细描述，特别是当结合下面所述的附图进行考虑时，所属领域的技术人员将会很容易地理解本说明书的上述和其它优点。
图1是本领域已公知的PEM燃料电池堆的示意性的分解透视图；
图2是根据本发明实施例的在燃料电池堆的阳极供应歧管的充注操作期间，燃料电池堆的示意性截面图；
图3是在阳极供应歧管充注操作后图2所示的燃料电池堆的示意性截面图；
图4是根据本发明的另一实施例的在燃料电池堆的阳极供应歧管的充注操作期间，燃料电池堆的示意性截面图；和
图5是在阳极供应歧管充注操作后，图4所示的燃料电池堆的示意性截面图。
具体实施方式
下面的描述实质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明及其应用或使用。还应当理解：在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部分和部件。在所公开的方法中，所述的步骤本质上是示例性的，由此并不是必须的或关键的。
图1示出了根据现有技术的PEM燃料电池堆10。燃料电池堆10包括一对由导电双极板16隔开的膜电极组件(MEA)12、14。MEA12、14和双电极板16层叠在一对夹板18、20和一对单极端板22、24之间。夹板18、20通过衬垫或电介质涂层(未示出)与端板22、24电绝缘开。每个单极端板22、24的工作面26、28，以及双极板16的工作面30、32，包括多个能使燃料如氢气和氧化剂如氧气从中流动的凹槽或沟槽34、36、38、40。不导电衬垫42、44、46、48在燃料电池堆10的部件之间提供密封和电绝缘。气体可渗透的扩散介质50、52、54、56例如碳或石墨扩散片基本上邻接MEA12、14的阳极面和阴极面中的每一面。端板22、24分别设置在邻近扩散介质50、56的位置处。双极板16设置在邻近MEA12的阳极面上的扩散介质52的位置处。双极板16还设置在邻近MEA14的阴极面上的扩散介质54的位置处。
燃料电池堆10还包括阴极供应歧管58和阴极排出歧管60、冷却剂供应歧管62、冷却剂排出歧管64、阳极供应歧管66和阳极排出歧管68。供应歧管58、62、66和排出歧管60、64、68通过把在双极板16中形成的邻近孔，在衬垫42、44、46、48中形成的孔和在端板22、24中形成的孔进行对准而形成。氢气通过阳极入口导管70经过阳极供应歧管66提供给燃料电池堆10。氧化剂气体通过阴极入口导管72经过燃料电池堆10的阴极供应歧管58提供给燃料电池堆10。分别为阳极排出歧管68和阴极排出歧管60提供阳极出口导管74和阴极出口导管76。冷却剂入口导管78和冷却剂出口导管80与冷却剂供应歧管62和冷却剂排出歧管64流体连通以提供从其中通过的液体冷却剂流。应当理解：图1和图2中的多个入口70、72、78和出口74、76、80的构造仅用于说明的目的，如需要可以选择其它的构造。
图2和图3示出了根据本发明实施例的燃料电池系统182。燃料电池系统182包括具有多个燃料电池184的燃料电池堆110。每一个燃料电池184具有阳极(未示出)和阴极(未示出)以及在它们之间设置的电解质膜(未示出)。燃料电池堆110还包括第一端部186和第二端部188。如这里所述，第一端部186被称为“干燥端”，第二端部188被称为“湿润端”。
阳极供应歧管166与燃料电池184的阳极流体连通，并且在氢气源197和燃料电池184之间提供流体连通。阳极供应歧管166适于通过阳极入口导管198从氢气源197接收氢气流190。阳极入口导管198限定了氢气源197和阳极供应歧管166之间的体积。可以理解：阳极入口导管198可以具有任意需要的横截面积并还可以例如包括腔室。燃料电池系统182的阳极排出歧管168在多个燃料电池184的阳极和排出系统199之间提供流体连通。阳极排出歧管168适于接收通过燃料电池184的阳极的流体。流过阳极的流体可以是氢气，空气或水。
如图中所示，燃料电池系统182包括第一阀门192，也称为吹扫阀，与阳极供应歧管166流体连通。第一阀门设置在燃料电池堆的第一端部186处，与阳极入口导管198隔开。第二阀门194与阳极排出歧管168流体连通，并设置在燃料电池堆的第二端部188处。第一阀门192适于促进从阳极供应歧管166中吹扫出流体。第二阀门194适于促进从燃料电池184和阳极排出歧管168中吹扫出流体。应当理解：如果需要，第二阀门194可以设置在燃料电池堆110的第一端部186处。
在燃料电池堆110的充注操作期间，第一阀门192和第二阀门194是关闭的。如图2中所示，在没有显著量的氢气190流入到阳极供应歧管166的情况下，氢气190从氢源197流出并流入到阳极入口导管198。由于阀门192、194是关闭的，所以氢气流入到阳极入口导管198导致阳极供应歧管166中的内容物，通常是空气196，流入到燃料电池堆110的活性区域。在压力积聚步骤期间，通过持续地把氢气引入阳极入口导管198中，而增加了燃料电池堆110中的流体压力。一旦燃料电池堆110中达到了所需要的压力，第一阀门192打开，并且氢气190流入并经过阳极供应歧管166。由于燃料电池堆110中的燃料电池184的活性区域被加压，氢气190会经过阳极供应歧管166流动并到达第一阀门192，但不会流入到燃料电池184的活性区域中。可以理解：氢气源197和阳极供应歧管166之间增加的体积会在燃料电池184的活性区域中提供更高的最终压力。增加的体积和燃料电池184的活性区域中的最终压力之间的关系可以通过以下公式表示：
Pfinal<Pinitial*(1+(Vinlet/Vtotal))
其中，Pfinal是在压力积聚步骤中达到的最终阳极压力；Pinitial是在压力积聚步骤之前的阳极压力；Vinlet是在氢气源197和阳极供应歧管166之间的阳极体积；Vtotal是将经受压力增加的阳极体积。应当理解：增加的体积例如可以是阳极入口导管198的横截面积的增加，和第三腔室的增大。
所希望的是从氢气源197经过阳极入口导管198的氢气190的流速基本与经过第一阀门192的流体的流速相同。相同的流速可以防止在歧管吹扫步骤期间，燃料电池堆110的活性区域的压力产生变化。当从氢气源197经过阳极入口导管198的氢气190的流速比经过第一阀门192的流体的流速更高时，燃料电池堆110的活性区域中的空气196会压缩。该压缩会将氢气190引入到燃料电池堆110的活性区域中，从而导致碳腐蚀。当从氢气源197经过阳极入口导管198的氢气190的流速比经过第一阀门192的流体的流速更低时，燃料电池堆110的活性区域中的空气196会减压。空气196的减压会导致空气197倒流入阳极供应歧管166，从而导致阳极供应歧管166部分地或非均匀地充注氢气。如果活性区域中的流体压力得到保持，则来自阳极供应歧管166的氢气不会进入燃料电池堆110的加压活性区域，因为阳极供应歧管166充注有氢气。
一旦氢气190基本充满阳极供应歧管166，第一阀门192关闭。然后，第二阀门194打开，氢气190持续地供应到阳极供应歧管166，由此导致氢气流经每一个燃料电池184的阳极部分的活性区域。如图3中所示，氢气以基本相同的流速流过每个燃料电池184的活性区域，使得在启动操作之前整个燃料电池堆110中反应剂的分布更均匀。均匀的反应剂分布使得在燃料电池堆110的单个燃料电池184之间形成了基本均匀的电压，并防止了例如当电流从燃料电池堆110中流出时，在燃料电池184中由于氢不足而引起的碳腐蚀。随着氢气流过燃料电池184的活性区域，空气196从燃料电池184和阳极排出歧管168中吹扫出，经过第二阀门194，达到排出系统199。应当理解：经过燃料电池的活性区域的氢气流速可以最大化，以使在燃料电池堆110的活性区域中存在氢气—空气前锋的时间最小化。
图4和图5示出了根据本发明另一实施例的燃料电池系统282。燃料电池系统282包括具有多个燃料电池284的燃料电池堆210。每个燃料电池284具有阳极(未示出)和阴极(未示出)，在它们之间设置有电解质膜(未示出)。燃料电池堆210还包括第一端部286和第二端部288。如这里所述，第一端部286被称为“干燥端”，第二端部288被称为“湿润端”。
阳极供应歧管266与燃料电池284的阳极流体连通，并在氢气源297和燃料电池284之间提供流体连通。阳极供应歧管266适于通过阳极入口导管298接收来自氢气源297的氢气流290。阳极入口导管298在氢气源297和阳极供应歧管266之间限定了一定的体积。应当理解：阳极入口导管198可以具有任意需要的横截面积，并且还可以包括额外的体积例如腔室。燃料电池系统282的阳极排出歧管268在多个燃料电池284的阳极和排出系统299之间提供流体连通。阳极排出歧管268适于接收流经燃料电池284的阳极的流体。流过阳极的流体可以是氢气，空气或水。
如图中所示，燃料电池系统282包括第一阀门292，第二阀门294，第一腔室293，和第二腔室295。第一阀门292，也称为吹扫阀，与阳极供应歧管266流体连通。第一阀门设置在燃料电池堆的第一端部286处，与阳极入口导管298隔开。第二阀门294与阳极排出歧管268流体连通，并设置在燃料电池堆的第二端部288处。第一阀门292适于从阳极供应歧管266吹扫流体。第二阀门294适于从燃料电池284和阳极排出歧管268吹扫流体。应当理解：如果需要，第二阀门294可以设置在燃料电池堆210的第一端部286处。第一腔室293设置在阳极供应歧管266和第一阀门292之间。第二腔室295设置在阳极排出歧管268和第二阀门294之间。
在燃料电池堆210的充注操作期间，第一阀门292和第二阀门294关闭。如图4中所示，在没有显著量的氢气290流入阳极供应歧管266的情况下，氢气290从氢气源297流出，并流入阳极入口导管298中。因为阀门292、294关闭，所以流入阳极入口导管298的氢气流导致了阳极供应歧管266中的内容物，通常为空气296，流入了燃料电池堆210的活性区域中。在压力积聚阶段，通过把氢气持续地引入到阳极入口导管298中，燃料电池堆210内的流体压力增加了。一旦燃料电池堆210中达到了所需压力，第一阀门292打开，氢气290流入并经过阳极供应歧管266。由于燃料电池堆210中的燃料电池284的活性区域被加压，氢气290会经过阳极供应歧管266流动并到达第一阀门292，但不允许流入到燃料电池284的活性区域中。应当理解：在氢气源297和阳极供应歧管266之间增加的体积在燃料电池284的活性区域中提供了更高的最终压力。增加的体积和燃料电池184的活性区域中的最终压力可以用下列公式表示：
Pfinal<Pinitial*(1+(Vinlet/Vtotal))
其中，Pfinal是在压力积聚步骤中达到的最终阳极压力；Pinitial是在压力积聚步骤之前的阳极压力；Vinlet是在氢气源297和阳极供应歧管266之间的阳极体积；Vtotal是将经受压力升的阳极体积。应当理解：增加的体积例如可以是阳极入口导管298的横截面积的增加，和第三腔室的增加。
所希望的是从氢气源297经过阳极入口导管298的氢气290的流速基本与经过第一阀门292的流体的流速相同。相同的流速可以防止在歧管吹扫步骤期间，燃料电池堆210的活性区域的压力发生变化。当从氢气源297经过阳极入口导管298的氢气290的流速比经过第一阀门292的流体的流速更高时，燃料电池堆210的活性区域中的空气296会压缩。空气压缩会将氢气290引入到燃料电池堆210的活性区域中，从而导致碳腐蚀。当从氢气源297经过阳极入口导管298的氢气290的流速比经过第一阀门292的流体的流速更低时，燃料电池堆210的活性区域中的空气296会减压。空气296的减压会导致空气297倒流入阳极供应歧管266，从而导致阳极供应歧管266部分地或非均匀地充注氢气。如果活性区域中的流体压力得到保持，则来自阳极供应歧管266的氢气不会进入燃料电池堆210的加压活性区域，因为阳极供应歧管266充注有氢气。
一旦氢气290在歧管吹扫步骤期间进入了第一腔室293，第一阀门关闭。第一腔室293增加的体积增加了在阳极供应歧管266充注氢气以及使氢气经过第一阀门292流动之间的时间，由此使经过第一阀门292的氢气吹扫时间最小化。然后，第二阀门294打开，氢气290持续地供应到阳极供应歧管266。由此导致氢气流动经过每一个燃料电池284的阳极部分的活性区域。如图5中所示，氢气以基本相同的流速流过每个燃料电池284的活性区域，使得在启动操作之前，整个燃料电池堆210中反应剂的分布更均匀。均匀的反应剂分布使得在燃料电池堆210的单个燃料电池284之间形成了基本均匀的电压，并防止了例如当电流从燃料电池堆210中流出时，在燃料电池284中由于氢不足而引起的碳腐蚀。随着氢气流过燃料电池284的活性区域，空气296从燃料电池284和阳极排出歧管268中吹扫出，经过第二阀门294，到达排出系统299。第二腔室295增加的体积增加了在燃料电池284的活性区域充注氢气以及使氢气经过第二阀门294流动之间的时间，由此使氢气290经过第二阀门294排出的时间最小化。特别地，一旦氢气290进入了第二腔室295，可以调节来自氢气源297的氢气290的流速以使经过第二阀门294排出的氢气290最小化。应当理解：为了使在燃料电池堆210的活性区域中存在氢气—空气前锋的时间最小化，经过燃料电池的活性区域的氢气流速可以最大化。
本发明使得在启动期间排出的氢气最小化。氢气在阳极均匀的分布使氢气与经过第二阀门194、294排出燃料电池堆10、110、210的空气196、296的混合最小化，由此在启动时，使排出的氢气更少。氢气的均匀分布导致在燃料电池堆10、110、210的单个燃料电池184、284之间的电压基本均匀，并防止了例如当从燃料电池10、110、210中提取电流时，由于燃料电池184、284中的氢不足而导致的碳腐蚀。
虽然本发明的实施例和细节仅仅是为了说明的目的，但是所属领域的技术人员很清楚，可以在不偏离本发明范围的情况下作出多种改变，本发明的保护范围将由下面所附的权利要求书进行限定。

Claims (20)

1、一种在启动期间利用氢气充注燃料电池阳极供应歧管的方法，该方法包括以下步骤：
提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管，阳极供应歧管具有设置在其中的流体并与氢气源流体连通；
提供与阳极供应歧管流体连通的第一阀门；
提供与阳极排出歧管流体连通的第二阀门；
利用处于关闭位置的第一阀门和第二阀门而为阳极供应歧管提供氢气，以将燃料电池堆加压达到所需压力；并且
打开第一阀门以利于从阳极供应歧管中吹扫出至少一部分流体以促进利用氢气充注歧管。
2、如权利要求1所述的方法，还包括关闭第一阀门并打开第二阀门以使氢气以基本相同的速率流入到燃料电池的活性区域的步骤。
3、如权利要求2所述的方法，其中使流入燃料电池的活性区域的氢气的流速最大化，由此使在燃料电池的活性区域中存在氢气—空气前锋的时间最小化。
4、如权利要求1所述的方法，其中流入阳极供应歧管的氢气流速与流过第一阀门的流体的流速基本相同。
5、如权利要求1所述的方法，其中燃料堆的所需压力取决于在氢气源和阳极供应歧管之间设置的阳极入口导管的体积。
6、如权利要求1所述的方法，还包括在阳极供应歧管的出口和第一阀门之间提供腔室的步骤。
7、如权利要求1所述的方法，还包括在阳极排出歧管的出口和第二阀门之间提供腔室的步骤。
8、如权利要求1所述的方法，其中将第一阀门设置在燃料电池堆的第一端部处，所述第一阀门与阳极入口导管隔开。
9、一种在启动期间利用氢气充注燃料电池阳极供应歧管的方法，该方法包括以下步骤：
提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，该燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管，阳极供应歧管具有设置在其中的流体并与氢气源流体连通；
提供与阳极供应歧管流体连通的第一阀门；
提供与阳极排出歧管流体连通的第二阀门；
在阳极供应歧管的出口和第一阀门之间提供腔室；
在阳极排出歧管的出口和第二阀门之间提供腔室；
利用处于关闭位置的第一阀门和第二阀门以将氢气提供给阳极供应歧管以使燃料电池堆的压力加压达到所需压力；并且
打开第一阀门以从阳极供应歧管中吹扫出至少一部分流体以促进利用氢气充注歧管。
10、如权利要求9所述的方法，其中燃料堆的所需压力取决于在氢气源和阳极供应歧管之间设置的阳极入口导管的体积。
11、如权利要求9所述的方法，其中流入阳极供应歧管的氢气流速与流过第一阀门的流体的流速基本相同。
12、如权利要求9所述的方法，还包括关闭第一阀门并打开第二阀门以使氢气以基本相同的速率流入到燃料电池的活性区域的步骤。
13、如权利要求12所述的方法，其中当氢气进入第一腔室时，第一阀门关闭。
14、如权利要求12所述的方法，其中使流入燃料电池的活性区域的氢气的流速最大化，由此使在燃料电池的活性区域中存在氢气—空气前锋的时间最小化。
15、如权利要求12所述的方法，其中当氢气进入第二腔室时，调节流入阳极供应歧管的氢气的流速。
16、如权利要求9所述的方法，其中当氢气进入第二腔室时，第二阀门关闭。
17、一种燃料电池系统，包括：
具有多个燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池包括在阳极和阴极之间设置的电解质膜；
与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管；
与阳极供应歧管流体连通的阳极入口导管，所述阳极入口导管提供氢气源与阳极供应歧管之间的流体连通；
与燃料电池的阳极和排出系统流体连通的阳极排出歧管；
与阳极供应歧管流体连通的第一阀门；
与阳极排出歧管流体连通的第二阀门；和
在阳极供应歧管和第一阀门以及阳极排出歧管和第二阀门中的至少一种之间设置的至少一个腔室。
18、如权利要求17所述的燃料电池系统，其中第一阀门设置在燃料电池堆的第一端部处，第一阀门与阳极入口导管隔开。
19、如权利要求17所述的燃料电池系统，其中阳极入口导管限定了氢气源和阳极供应歧管之间的体积。
20、如权利要求17所述的燃料电池系统，还包括设置在氢气源和阳极供应歧管之间的腔室。
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