CN101562259B - 密封的阳极燃料电池系统的停机操作 - Google Patents

密封的阳极燃料电池系统的停机操作 Download PDF

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Abstract

本发明涉及密封的阳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(400)中，停止燃料(H2)和氧化剂(空气)的流动，密封系统的阳极区(305)。然后将负载(215)接合在该系统的燃料电池组(205)两端，以耗尽该电池组的密封的阳极(305)中许多燃料。监控电池组(205)以确定何时应当解除负载(215)。一旦负载解除，确立该系统的阳极和阴极区之间的流体相通。由于其中H2消耗而在阳极区(305)中产生的真空将富氮气体从阴极区(310)吸入阳极区(305)。当已经从阳极区(305)消耗了基本上所有的H2时，在阳极和阴极区之间不存在压差，切断两者之间的流体相通。

Description

密封的阳极燃料电池系统的停机操作
技术领域
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
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)。 
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。 
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。 
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
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(H2)和氧化剂(空气)流动到该系统的燃料电池组，然后密封该电池组的阳极区。然后在该电池组两端接合(engage)负载，以耗尽该电池组的燃料电池的阳极处的许多(much of)燃料和阴极处的基本上所有氧气。一旦该燃料电池基本上耗尽燃料，则打开该电池组的阳极和阴极区之间的流体相通。因为该电池组的阳极区是密封的，因此其中燃料的消耗产生真空。该真空将吸取(pull)富N2的气体从阴极区进入阳极区。该行为(action)还将吸取额外的空气(氧化剂)进入该阴极区。为使引入阳极区的富O2气体(空气)最小化，已经发现允许气体从阴极在远离允许空气流入阴极区位置的区域流入阳极是有益的。当阳极区中消耗掉基本上所有的H2时，终止燃料电池系统的阳极和阴极区之间的流体相通。 
在一种实施方式中，在放电操作期间(即当负载接合时)可以监控一些或所有该电池组的燃料电池两端的电压，其中该特定的电压包括大于或等于0且上限为250毫伏的电压，以确定何时解除(disengage)负载。可以使用任何指示放电状态的燃料电池操作参数。例如可以使用电池电压(绝对值和/或改变速率)和电流(绝对值和/或改变速率)。 
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或控制单元实施。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
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)。 
图2显示了根据本发明的一种实施方式的燃料电池系统。 
图3以示意图方式显示了根据本发明的一种实施方式的燃料电池的配置。 
图4以流程图方式显示了根据本发明的一种实施方式的停机操作。 
具体实施方式
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)形式的气态氧(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。 
总的来讲，根据本发明的停机操作使用外部负载和在密封的阳极燃料电池系统中的阳极-阴极转换阀(cross-over valve)用于消耗残余燃料并在燃料和氧化剂气流终止(termination)之后将贫氧空气可控引入阳极。此处所用的术语“密封的”是指指定元件(例如阳极)以其可以抽真空(或部分真空)的方式与环境隔离。本领域的普通技术人员将认识到甚至在密封的阳极(阴极)系统中，在停机之后随着时间过去，阳极(阴极)压力可以变为环境压力。 
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、开关220和转换阀225。燃料电池组205包括多个如图1B中所示排列以使其阳极和阴极重合的(coincident)燃料电池。其余装置210尤其包括隔离阀、测定一些或所有的燃料电池的操作特征的传感器和用于指导燃料电池系统200根据本发明操作的控制单元。示例性的燃料电池操作特征包括但不局限于电压和电流。负载215和开关220被提供用于可控耗尽燃料电池阳极的燃料。转换阀225被提供用于将贫氧气体从该燃料电池的阴极体积中可控引入该燃料电池的阳极区(参见下面的讨论)。 
参照图3，示例性的燃料电池300(来自燃料电池组205)包括由膜电极组件(“MEA”)315分隔开的阳极区305和阴极区310。燃料电池300(和燃料电池组210中的每个电池)连接燃料入口隔离阀320、燃料出口隔离阀325、阴极出口止回阀(check valve)330和转换阀225。隔离阀320和325允许燃料(H2气)流过阳极区305。这些阀也可以用于对阳极区305的基本上密封。阴极止回阀330防止 氧化剂(O2气/空气)流回到阴极区310。如下面详细描述的那样，转换阀225提供用于在根据本发明的燃料电池系统停机操作期间将富N2(贫O2)气体吸取到阳极区305内的机制。 
在以下描述中，将参考其中示出单一燃料电池的图3的组件。然而，应当认识到燃料电池组205中的各电池都拥有共用的阳极和阴极区或体积。进一步将认识到阳极隔离阀320和325和阴极止回阀330经配置以为燃料电池组205内的所有电池提供隔离和防止回流。最后，转换阀225允许燃料电池组205内的所有电池的阳极和阴极区之间的流体相通。 
参照图4，在本发明的一种实施方式中，通过使用隔离阀320和325密封阳极区305(块405)开始停机操作400。然后，停止氧化剂流到阴极区310(块410)，使用开关220接合负载215(块415)，停止燃料流(块420)。接合负载215总的目的是提供完整电路以将阳极存在的所有/大多数H2(燃料)和阴极存在的所有/大多数氧气消耗掉。当所有或大多数氧化剂在阴极消耗时(块425的“是”分支)，打开转换阀225(块430)。如图所示，转换阀225保持关闭直到在阴极存在的所有/大多数O2(氧化剂)被消耗(块425的“否”分支)。因为阳极区305通过阀320和325隔离，随着H2的消耗，阳极区305内的压力与阴极区310(其为环境压力)相比下降，造成在阳极区305内形成真空。在实际中，已经发现保持阳极区305和阴极区310之间的压力差低于预设值是有利的。当然精确值将取决于燃料电池组205选择的组成和结构。 
使用传感器(如上所述)监控燃料电池组205中的各、大多数或一些燃料电池(即燃料电池300)的活性(activity)。这些传感器可以根据本发明用于确定电池组的阳极处和其中存在的大多数H2(燃料)(或电池组的阴极处或其中存在的大多数氧气)何时已经被消耗掉。对于那些监控燃料电池电压的实施方式，当测定的电压维持在特定第一阈值以上时(块435的“否”分支)，负载215保持接合，并且转换阀225保持开启以允许连续的H2和O2消耗。当测定的电压降到该特定第一阈值时(块435的“是”分支)，关闭转换阀225(块440)并使用开关220解除负载215(块445)。在一种实施方式中，该特定第一阈值为约0～200毫伏(“mv”)——下限经选择以 防止电池电极的碳腐蚀，上限经选择以确保消耗掉电极的阳极(阴极)一侧处和其中存在的大多数H2(O2)。尽管已经提供示例性的下限和上限，但本领域的普通技术人员将认识到其他现象可能影响任何特定实施方式中所用的阈值电压。进一步将认识到使用目前可以得到的材料，保持燃料电池电压高于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”，然后确定根据块445解除负载的时间。 
在另一种实施方式中，测定和使用总电池组电压来确定何时终止H2/O2消耗。在另一种实施方式中，使用电池两端电压的降低速率作为阈值。在另一种实施方式中，监控各电池或电池的组合产生的电流，并用于选择第一阈值。在另一实施方式中，监控电流产生降低速率。尽管此处仅描述了电压和电流，但应当认识到实际上根据块435的行动(act)可以监控和使用燃料电池的任何可测量的操作特征。 
当根据块430的行动将转换阀225开启时，由于阳极区的真空，富N2(贫O2)的空气从阴极区310被抽吸到阳极区305内。这样又造成空气被吸入阴极区310。为了确保基本上仅富N2气体被抽吸到阳极区305内，已经发现在远离阴极区的空气入口的位置设置转换阀225是有利的。再次参照图3，将指出氧化剂(空气)入口位于阴极区310的第一侧，而转换阀225和止回阀330位于另一侧。在这样的设置中，抽吸到阴极区310中的空气通过MEA 315的阴极区一侧。随着空气这样，其中的O2将往往被消耗掉，由此为阳极区305提供额外的富N2气体。 
一旦根据块440将转换阀225关闭，该“有效(active)”停机过程完成。然而应当认识到燃料电池组的状态可能随时间改变。例如，因为阴极区310是未密封的，因此随时间空气将扩散到其中(在一种实施方式中这花费约5～6小时)。随着进一步时间的过去(在一种实施方式中这花费另外约6～12小时)，空气将通过MEA 315，进入阳极区305。因为阳极区305和阴极区310最初包含富N2气体(在块440的行动之后)，以这样的速度在这种或类似的时间段上引入空气往往不损害MEA 315。此外，根据本发明的停机操作显著降低了在燃料电池系统中形成H2/O2混合物的可能性。 
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中的示例性系统并不局限于以氢气为燃料、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)，阳极区305可以以任何适宜的方式密封，止回阀330可以以任何有效防止空气流入转换阀225与阴极区310连接附近的区域内的方式设置，以及阳极区305和阴极区310之间的流体相通可以由适用于燃料电池系统的阀或其他机构提供。此外，可以使用负载215以任何适宜的方式消耗电池燃料。例如，负载215可以持续接合直至满足第一阈值。可替代地，负载215可以以周期性或循环方式接合。负载215可以是固定或可变电阻。如果使用后者，通常在接合负载以消耗大多数阳极区燃料的时间期间内将调节负载的数值。这些方法更详细地描述在名称为“Shutdown Operations for an Unsealed CathodeFuel Cell System”，申请序列号为____________的共同所有专利申请中，由此通过参考将其引入。 
此外，根据图4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(也称为“控制单元”)实行。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(communications 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 (18)

1.燃料电池系统停机方法，该燃料电池系统具有包括多个燃料电池的燃料电池组，该燃料电池经设置以形成阳极区和阴极区，该方法包括：
密封阳极区；
停止氧化剂流动到阴极区；
在燃料电池组两端接合负载；
停止燃料流动到阳极区；
打开阳极区和阴极区之间的流体相通；
当燃料电池操作特征满足第一阈值时，解除负载并关闭阳极区和阴极区之间的流体相通。
2.权利要求1的方法，其中该燃料包括气态氢，氧化剂包括气态氧。
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，其中该操作特征包括一个或多个燃料电池两端的电压，第一阈值包括特定的电压。
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且上限为250毫伏的电压。
6.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。
7.燃料电池系统停机操作方法，该燃料电池系统具有多个燃料电池，各燃料电池具有阳极区和阴极区，包括：
密封阳极区以允许在其中形成真空；
停止气态空气流到燃料电池；
在多个燃料电池两端接合电阻负载以消耗阳极区中大部分H2；
停止气态氢流到燃料电池；
打开阳极区和阴极区之间的流体通道；
监控一个或多个燃料电池两端的电压；
当监控的一个或多个燃料电池两端的电压满足第一阈值时，解除电阻负载并关闭阳极区和阴极区之间的流体通道。
8.权利要求7的方法，其中该第一阈值包括0毫伏～200毫伏的电压。
9.权利要求7的方法，其中该流体通道包括阀。
10.燃料电池系统，包括：
燃料源；
氧化剂源；
电连接并配置以形成阳极区和阴极区的多个燃料电池，该阳极区具有入口，其与燃料源连接，和出口，阴极区具有入口，其与氧化剂源连接，和出口；
经配置以在该燃料电池两端可控接合和解除的电负载；
与一个或多个燃料电池连接的燃料电池传感器；
与阳极区的入口和出口连接的隔离阀，该隔离阀经配置以可控密封和不密封该阳极区；
与阴极区的出口连接的定向流动节流装置；和
阳极区和阴极区的区域之间的流体通道，其可以可控打开和控制，该流体通道与阴极区在临近阴极区出口并离开阴极区入口的位置连接。
11.权利要求10的燃料电池系统，其中该燃料源包括气态氢源。
12.权利要求10的燃料电池系统，其中该氧化剂源包括气态氧源。
13.权利要求12的燃料电池系统，其中气态氧源包括空气。
14.权利要求10的燃料电池系统，其中该定向流动节流装置包括止回阀。
15.权利要求10的燃料电池系统，其中该燃料电池传感器包括用于检测燃料电池两端电压的传感器。
16.权利要求10的燃料电池系统，其中该电负载包括固定电阻。
17.权利要求10的燃料电池系统，进一步包括具有储存在其上的指令的可编程控制装置，以便使该可编程控制装置：
使用该隔离装置密封阳极区；
停止氧化剂流动到阴极区；
在燃料电池两端接合电负载；
停止燃料流动到阳极区；
打开阳极区和阴极区之间的流体通道；
当燃料电池操作特征满足第一阈值时，解除电负载并关闭阳极区和阴极区之间的流体通道。
18.权利要求17的燃料电池系统，其中该第一阈值包括0毫伏～250毫伏的电压值。
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