CN101562258A

CN101562258A - 未密封的阴极燃料电池系统的停机操作

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Publication number: CN101562258A
Application number: CNA2009101327611A
Authority: CN
Inventors: G·M·罗布; H·A·加斯泰格; B·拉克什马南; P·T·于; S·G·格贝尔; F·T·沃纳
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2009-10-21
Also published as: US20090263679A1; DE102009017208A1

Abstract

本发明涉及未密封的阴极燃料电池系统的停机操作。描述了燃料电池系统的停机过程。在一种实施方式(300)中，负载(215)循环接合和解除在燃料电池组(205)两端，以耗尽该系统的燃料电池(205)可得到的燃料。可以使用电压和/或电流阈值来确定何时接合和解除负载(215)以及何时终止该停机操作。在另一种实施方式(500)中，接合并调节可变负载(405)以耗尽该系统的燃料电池(205)可得到的燃料。如前所述，可以使用电压和/或电流阈值来确定何时调节负载(405)以及何时终止该停机过程。在另一种实施方式中，在该停机过程的一些部分期间，可以周期性接合和解除负载(215或405)，而在该停机过程的其余部分期间，可以接合但调节负载。

Description

未密封的阴极燃料电池系统的停机操作

技术领域

[0001]本发明涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，更特别地涉及用于控制燃料电池系统停机操作的系统和方法。

背景技术

[0002]燃料电池是将燃料中的化学能直接转变成电能的电化学装置。在典型操作的电池中，将燃料连续供给阳极(负电极)，将氧化剂连续供给阴极(正电极)。在电极(即阳极和阴极)处发生电化学反应，产生通过将电极分隔开的电解质的离子流，同时驱动互补电流通过负载做功(例如驱动电动机或为光源提供能量)。尽管燃料电池在原理上可以使用许多燃料和氧化剂，但目前开发中的大多数燃料电池都使用气态氢作为阳极反应物(也称为燃料)，使用以空气形式的气态氧作为阴极反应物(也称为氧化剂)。

[0003]为了得到应用所需的必需的电压和电流，可以将单独的燃料电池电连接以形成“组”，其中该组用作为负载提供能量的单一元件。短语“其余装置”是指那些提供供入流供给和调节、热管理、电源调节和其他辅助和界面功能的组件。燃料电池组和其余装置一起构成了燃料电池系统。

[0004]参照图1A，燃料电池100(以从上到下的视角示出)经配置以包括阳极入口105、阳极出口110、阴极入口115、阴极出口120、冷却剂入口125和冷却剂出口130。参照图1B，如上所述燃料电池(例如燃料电池100)可以堆积以产生燃料电池组135，其中将各电池的阳极、阴极和冷却剂通道都匹配。

[0005]燃料电池系统独有的一个操作问题涉及系统启动和停机操作。与内燃发电装置不同，燃料电池电极如果暴露于不适当的气体和/或气体混合物，可能会受到损坏。例如，如果不正确操作，阳极暴露于空气中可能会严重损坏电池。类似地，产生气体混合物(例如氢气-空气溶液)的停机操作可能在随后的启动操作中对燃料电池系统产生不利影响。

发明内容

[0006]总的来讲，本发明提供了燃料电池系统的停机方法。根据一种实施方式的方法包括停止(halting)燃料流动，然后使惰性气体(例如氮气)开始流动到燃料电池组的阳极，同时保持氧化剂到阴极的流动。然后在燃料电池组两端循环接合(engage)和解除(disengage)负载以耗尽该系统的燃料电池可得到的燃料。可以使用电压和/或电流阈值来确定何时接合和解除负载以及何时终止(terminate)该停机操作。一旦该燃料电池基本上耗尽燃料，可以使氧化剂流体流过接合有负载的阳极和阴极，直至达到第二电压和/或电流阈值。然后可以停止该氧化剂流体流并解除负载。在另一实施方式中，接合并调节可变负载，以耗尽该系统的燃料电池可得到的燃料。如上所述，可以使用电压和/或电流阈值来确定何时调节负载以及何时终止该停机过程。在另一实施方式中，在该停机过程的一些部分期间，可以使负载周期性接合和解除，在该停机过程的其余部分期间，可以接合但调节负载。

[0007]根据本发明的方法可以通过执行编制(organize)到一个或多个程序模块中的指令的可编程控制装置实施。可编程控制装置包括专用硬件控制装置以及一般用途的处理系统。用于实施根据本发明的任何方法的指令可以切实地体现于(tangibly embodied in)任何适合的存储装置。

附图说明

[0008]图1显示了根据传统现有燃料电池技术的单一燃料电池(1A)和燃料电池组(1B)的结构(layout)。

[0009]图2显示了根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统。

[0010]图3显示了根据本发明的一种实施方式的停机过程。

[0011]图4显示了根据本发明的另一种实施方式的燃料电池系统。

[0012]图5显示了根据本发明的另一种实施方式的停机过程。

具体实施方式

[0013]以下描述用于使任何本领域技术人员能够制造和使用要求保护且在下面讨论的特定实例的内容中提供的本发明，所述特定实例的变化对本领域技术人员将是容易显而易见的。更特别地，本发明的示例性实施方式是就使用气态氢(H₂)作为燃料、空气(O₂和氮气N₂的混合物)形式的氧气(O₂)作为氧化剂和质子交换或聚合物电解质膜(“PEM”)电极组件的燃料电池进行描述的。然而，后附的权利要求并不意于由所公开的实施方式所限定，而是给予了它们的与此处公开的原理和特征相一致的最宽的范围。

[0014]参照图2，在本发明的一种实施方式中，燃料电池系统200包括燃料电池组205、其余装置210、负载215和开关220。燃料电池组205包括多个具有未密封的阳极和阴极的如图1B中所示排列的燃料电池。此处所用的术语“未密封的”是指指定元件(例如阳极)不能保持真空，而且在不操作时基本上处于环境压力。如下面更详细的讨论，在一种实施方式中，开关220定期循环(即关闭和打开)以允许该电池组的阳极处和其中存在的基本上所有燃料都以安全、便捷和相对快速的方式消耗掉。

[0015]参照图3，在一种实施方式中，通过终止H₂流并然后使N₂或一些其他惰性气体开始流过阳极(块305)而开始停机操作300。在一种实施方式中，以这种方式使用单一阳极体积的氮气。在另一种实施方式中，在该过程的整个持续期间保持氮气流。在另一种实施方式中，不使用氮气清扫。以这种方式使用氮气总的目的是去除或吹扫阳极处存在的大量燃料，尽管将认识到相对大量的H₂可能保持吸附在该电极的催化剂中。总的来讲，如果可得到氮气，那么以这种方式使用的氮气的最小量将是一个阳极体积，而最大的氮气流量将持续氢气消耗的整个期间。在开始N₂吹扫之后并由于在阴极上持续的O₂/空气流，关闭开关220以接合负载215(块310)。在实际中，负载215的接合可以在开始N₂吹扫操作之前、同时或之后进行。

[0016]将认识到其余装置210包括燃料电池组传感器，例如用于监控燃料电池组205中各、大多数或一些燃料电池的活性(activity)的电压和/或电流传感器。这些传感器可以根据本发明使用而确定各放电循环何时完成(块315)以及所有放电循环何时完成(块325)。

[0017]总的来讲，负载215接合时，各燃料电池两端的电压将随着电池阳极处和内部的燃料消耗而降低。对于那些监控电池电压的实施方式，在测定的电压仍高于特定第一阈值时(块315的“否”分支)，负载215保持接合。当测定的电压降到该第一特定阈值时(块315的“是”分支)，通过开关220解除负载215(块320)。如果还未完成所有放电循环(块325的“否”分支)，提供暂停以使燃料电池电压平衡(块330)，然后再次接合负载215(块310)。当监控的燃料电池电压表明所有放电循环都已完成时(块325的“是”分支)，停止N₂流过阳极(如果仍为活性)，接合负载215，并开始通过阳极的O₂/空气流动(同时保持通过阴极的O₂/空气流动)，直至所有监控的燃料电池电压都低于另一特定阈值。这时燃料电池系统200准备停机，可以终止所有O₂/空气流和其他监控(块335)。

[0018]在一种实施方式中，当任何监控的(通常最小的)燃料电池电压降到特定值时，认为循环完成。示例性的特定值包括0、5、10、20、50和75毫伏(“mv”)。以相似的方式，当任何监控的(通常最小的)燃料电池电压达到特定的下限值(例如0、5、30、50或75mv)且最大监控的燃料电池电压等于或低于特定电压上限(例如100、150或200mv)时，可以认为所有放电循环都已完成。在另一种实施方式中，监控总电池组电压以确定何时所有氢气都已消耗(例如总电池组电压何时降到特定水平或电压——尽管将认识到目前重要的是确保没有监控的电池的电压降到低于通常0mv)。根据块335的行动(act)，然后开始使空气流到阳极(恢复(recall)，已经将空气流提供到阴极)，使负载215接合，直至所有监控的燃料电池电压降低到另一阈值(例如10、25、50或75mv)。尽管此处提供的数值是示例性的，但本领域的普通技术人员将认识到应用于任何给定实施方式的精确值将取决于多个设计参数，例如燃料电池组205中燃料电池的数量、所用电极的类型、所用燃料和氧化剂的类型、负载215提供的电阻、燃料电池组205中燃料电池的年龄、年龄分布和均一性。

[0019]仅仅举例，在使用H₂燃料、O₂/空气氧化剂、220电池燃料电池组、PEM电极组件和10欧姆(“Ω”)负载的燃料电池系统中，只要任何单一的监控的燃料电池的电压降到0mv就认为循环完成。当任何单一的监控的燃料电池的电压降到25mv且在任何监控的燃料电池处测到的最大电压为200mv时，认为所有放电循环完成。在检测到这种“所有放电循环完成”情况之后，接合负载，开始使空气流动到阳极和阴极，直至所有监控的燃料电池记录(register)50mv或更低的电压为止。由基本上完全放电的燃料电池组开始，通常的循环内暂停为1～2秒。从开始到结束，在此处确定的系统上所述的停机操作花费约300秒，在约100个循环期间负载215接合达该时间中的约60秒。

[00201参照图4和5，在另一种实施方式中，使用可变负载405的燃料电池系统400可以根据程序500停机。在该方法中，可变负载405持续接合并周期性调节，以将监控的燃料电池电压降低到特定的停机值。再次参照图5，在该方法中，终止燃料流动，通过阳极开始使用N₂或一些其他惰性气体的吹扫(purge)(块505)。然后以及在保持O₂/空气流过阴极时，关闭开关220以使可变负载405接合(块510)。如前所述，可以在开始N₂吹扫操作之前、同时或之后接合负载405。最初，将可变负载405设定到相对较高的值，以从燃料电池组205中取出很小的电流。总的来讲，最初将负载405设定到相对较小的值，在保持最小的监控的电池电压高于特定的较低阈值(例如0、5、30、50或75mv)的基础上，随时间慢慢提高。当燃料电池尚未耗尽残余的燃料时(块515的“否”分支)，可以周期性调节负载405(块520)。当测定的燃料电池电压降低到第一特定阈值时(块515的“是”分支)，终止N₂吹扫，开始使空气流过阳极。当监控的燃料电池电压处于第二阈值时，通过开关220解除负载405，终止到阳极和阴极的空气流(块525)——完成停机操作500。

[0021]在另一种实施方式中，可应用于上述两种操作，可以再次循环阳极流体(例如N₂或其他惰性气体)以将相同的流体通过阳极多次。这样做往往保持燃料电池电压更稳定并因此可以保持负载(例如215和405)接合更长时间——所有其他因素保持相同。在另一种实施方式中，可以忽略最大值的电池电压。例如，如上所述，可以使用最小燃料电池阈值确定循环何时完成，且可以使用平均电压值确定该停机操作何时完成(例如块325和515)。通过进行特定的循环数，这种实施方式可以简化该过程。在另一种实施方式中，负载可以接合和解除特定量的时间和特定的循环数。

[0022]在一些实施方式中，可以使用非电压的燃料电池操作参数控制负载。原则上，可以使用任何指示燃料电池发电能力的燃料电池操作参数。例如，停机程序300可以使用在负载接合期间的电压降低速率或从燃料电池组205中取出的电流量来确定各或所有放电循环何时完成。进一步将认识到停机程序500可以在块515的行动(act)期间使用类似的操作参数测试。

[0023]将认识到使用目前可以得到的材料，保持监控的燃料电池电压高于0以使燃料电池电极的碳腐蚀最小化是适宜的。随着可以得到不同的材料，这种考虑可能变得较不重要。因此，可以使燃料电池电压降低到接近0或甚至为“负数”，然后确定各循环(例如块315)或所有循环(例如325和515)完成。

[0024]在不脱离以下权利要求的范围的情况下，可以对材料、组件、电路元件以及该示例性的操作方法的细节进行各种改变。例如，图2和4中的示例性系统并不仅限于以氢气为燃料、以空气为氧化剂的燃料电池系统。此外，开关220可以是任何可行的类型——例如，电气机械或电子的。此外，图3和5的实施方式仅为示例性的。例如，两种停机操作300和500的方面可以相结合；在该停机操作的一段时期内负载可以周期性接合和解除，而在另一段时期内可以持续接合——任一种方法都可以首先使用。此外，根据图3和5的行动可以通过执行编制到一个或多个程序模块中的指令的可编程控制装置实行。此外，图2和4的系统和图3和5的过程都可用于密封的阳极和/或阴极系统。可编程控制装置可以是单一的计算机处理器、特别目的的处理器(例如数字信号处理器，“DSP”)、通过通信链路(communi-cations link)或定制状态机(custom designed state machine)连接的多个处理器。定制状态机可以体现于(embodied in)硬件装置，例如集成电路，包括但不局限于专用集成电路(“ASIC”)或现场可编程门阵列(“FPGA”)。适用于切实地体现(tangibly embodying)程序指令的存储装置包括但不局限于：磁盘(硬盘(fixed)、软盘和可移动的)和磁带；光学介质，例如CD-ROM和数字化视频光盘(“DVD”)；和半导体存储装置，例如电可编程只读存储器(“EPROM”)、电可擦可编程只读存储器(“EEPROM”)、可编程门阵列和闪存(flash)装置。

Claims

1.燃料电池系统停机方法，包括：

停止燃料流动到多个燃料电池，各燃料电池具有阳极和阴极；

使惰性气体流过该阳极，并使氧化剂气体流过该阴极；

在燃料电池两端接合负载；

当该燃料电池的第一操作参数满足第一标准时解除负载；

重复接合和解除燃料电池两端的负载，直至该燃料电池的第二操作参数满足第二标准；和

当检测到第二操作参数时终止该停机。

2.权利要求1的方法，其中该惰性气体包括氮气。

3.权利要求1的方法，其中该负载包括固定电阻。

4.权利要求1的方法，其中该第一操作参数包括各燃料电池两端的电压，第一标准包括特定的电压。

5.权利要求4的方法，其中该特定的电压包括大于或等于0的电压。

6.权利要求1的方法，其中该第一操作参数包括时间间隔，该第一标准包括特定的时间间隔。

7.权利要求1的方法，其中该第二操作参数包括各燃料电池两端的两个特定的电压。

8.权利要求7的方法，其中该两个特定的电压中的第一个包括电压下限，该两个特定的电压中的第二个包括电压上限。

9.权利要求8的方法，其中该特定的电压下限包括大于或等于0的电压。

10.权利要求1的方法，其中当该燃料电池的第一操作参数满足第一标准时解除负载的行动包括当对于任一个燃料电池都满足第一标准时解除负载。

11.权利要求1的方法，其中重复接合和解除燃料电池两端的负载的行动包括：

在确定该燃料电池满足第三标准之后接合燃料电池两端的负载；和

在确定任一个燃料电池满足第一标准之后解除燃料电池两端的负载。

12.权利要求11的方法，其中该第三标准包括特定的电压水平。

13.权利要求1的方法，其中终止的行动包括：

接合燃料电池两端的负载；

停止惰性气体流过燃料电池的阳极；

使氧化剂气体流过燃料电池的阳极；和

当燃料电池的第三操作参数满足第三标准时，停止氧化剂气体流过燃料电池的阳极和阴极。

14.权利要求13的方法，进一步包括在停止氧化剂气体流过燃料电池的阳极和阴极之后解除负载。

15.权利要求13的方法，其中该燃料电池的第三操作参数包括各燃料电池两端的电压，第三标准包括第三特定电压。

16.权利要求15的方法，其中该第三特定电压极限包括大于或等于0的电压。

17.燃料电池系统停机操作，包括：

使惰性气体流过该阳极，并使氧化剂气体流过该阴极；

在燃料电池两端接合负载；

改变该燃料电池两端的负载以使燃料电池基本上放电；

停止惰性气体流过燃料电池的阳极；

使氧化剂气体流过燃料电池的阳极；和

停止氧化剂气体流过该燃料电池的阳极和阴极。

18.权利要求17的方法，其中改变该燃料电池两端的负载以使燃料电池基本上放电的行动包括为燃料电池提供负载直至至少一个电池具有满足第一标准的电压且该多个燃料电池的所有其他燃料电池满足第二标准为止。

19.权利要求18的方法，其中该第一标准包括下限电压，第二标准包括上限电压。

20.权利要求19的方法，其中该下限电压包括约为0-75毫伏的电压。

21.程序存储装置，其可由可编程控制装置读取，包括在其上存储的用于使该可编程控制装置执行权利要求1的方法的指令。

22.燃料电池系统，包括：

电连接以形成燃料电池体的第一多个燃料电池，各燃料电池具有阳极和阴极；

用于将燃料气体供给该燃料电池体的第一侧的燃料源系统；

用于将氧化剂气体供给该燃料电池体的第二侧的氧化剂源系统；

用于将惰性气体供给该燃料电池体的第一侧的惰性气体源；

第二多个传感器，各传感器感应燃料电池体中燃料电池的操作参数；

负载；和

用于执行权利要求1的方法的控制器。

23.权利要求22的燃料电池系统，其中该第二多个传感器包括用于第一多个燃料电池中各个的传感器。

24.权利要求22的燃料电池系统，其中该第二多个传感器包括电压传感器。