CN101567461A - 氢浸没式燃料电池堆及相关操作 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢浸没式燃料电池堆及相关操作。一种产品，包括燃料电池堆以及壳体设备，该壳体设备密封地封闭燃料电池堆以在燃料电池堆与壳体设备之间限定氢室。

Description

氢浸没式燃料电池堆及相关操作
技术领域
本发明的技术领域总体涉及燃料电池堆，以及用于使燃料电池堆操作的方法，包括启动及关闭该燃料电池堆的方法。
背景技术
燃料电池通常包括阴极侧、阳极侧、夹在阴极侧与阳极侧之间的电解质部分、以及横跨阴极侧与阳极侧的电路。加压氢被供应至阳极侧而加压氧(空气中)被供应至阴极侧。阳极侧的催化剂将氢分解为电子与质子。因为电解质部分是H+离子导体，故质子从阳极侧通过电解质部分迁移至阴极侧。但是因为电解质部分也是电绝缘体，故其迫使电子流经电路以在到达燃料电池的阴极侧的途中作有用功。多余的氢流动离开阳极侧并可通过堆再循环或返回至氢源。阴极侧的催化剂电催化加压氧(空气中)与从阳极流经电解质部分的质子结合，并与流经电路的电子结合从而产生水。
发明内容
本发明的一个实施例可包括一种产品，其包括燃料电池堆以及壳体设备，该壳体设备密封地封闭燃料电池堆以在燃料电池堆与壳体设备之间限定氢室。
本发明的另一实施例可包括一种方法，其包括使燃料电池系统操作，燃料电池系统包括燃料电池堆以及燃料电池壳体，燃料电池壳体至少部分封闭燃料电池堆并在壳体与包括阳极侧及阴极侧的堆之间至少部分限定氢室。所述操作包括使氢流入阳极侧并使空气流入阴极侧，产生电，并利用该电操作连接至堆的主电气装置。该方法还包括关闭堆，包括：将堆从主电气装置断开；使进入及离开阴极侧的空气流停止；保持壳体与堆之间的氢室内氢的正压力高于大气压；并且允许由氢消耗堆中的氧。
通过以下提供的详细描述将理解本发明的其他示意性实施例。应当理解，揭示了本发明的示意性实施例的详细描述及具体示例仅用于说明目的，并不意在对本发明的范围构成限制。
附图说明
根据详细描述及附图将更清楚地理解本发明的示意性实施例，其中：
图1是当在启动或关闭过程中燃料电池内存在H2/空气锋面时燃料电池的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图4是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图5是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图6是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图7是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图7a是图7的燃料电池系统的一部分的横断剖面视图；
图8是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图9是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图；
图10是图1的燃料电池系统的一部分的示意图；而
图11是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的一部分的示意图。
具体实施方式
以下描述仅是说明性质，其并不意在对本发明、其实施例或应用构成任何限制。
参考图1，在汽车燃料电池100中示出了H2/空气锋面F，燃料电池100可包括阳极侧102、阴极侧104、以及两者之间的电解质膜106。通常，H2/空气锋面F会在燃料电池100启动及关闭过程中形成，并会引发阴极碳腐蚀反应，由此导致燃料电池劣化。当燃料电池100关闭并在燃料电池100上不存在负载时，终止氢流入阳极侧102。但会保持一些氢并且空气会漏入阳极侧102，由此导致燃料电池电极的空气/空气区域中较高的阴极电势，这会导致催化剂或催化剂载体氧化和腐蚀以及随之而来的燃料电池性能劣化。
具体而言，当燃料电池100关闭时，保持在阳极侧102中的氢与保持在阴极侧104中的氧将因这些反应气体横穿电解质膜106而相互逐渐发生反应。此外，在阳极及阴极隔室中正常运行条件过程中形成的水蒸气在燃料电池100关闭之后冷却时将冷凝成液态水。该冷却及冷凝还会在燃料电池100中产生真空状态。由此，包围燃料电池100的空气中的氧会在真空状态下扩散返回燃料电池100，由此会形成H2/空气锋面F。在启动时，假定阳极及阴极侧102，104充满空气，然后加压氢可供应进入阳极侧102，由此重整H2/空气锋面F。
在关闭/启动两种情况下，阳极侧102中的H2/空气锋面F如图所示横跨燃料电池100划分出阳极及阴极隔室。在H2/空气锋面F一侧的阳极隔室中的氢通过氢氧化反应(HOR)提供质子及电子。来自HOR的电子迫使在H2/空气锋面F的另一侧的阳极隔室中发生O2还原反应(ORR)，同时来自HOR的质子通过电解质膜106迁移至用于另一ORR的阴极隔室。因为阳极隔室中的ORR的电子与质子结合，并且因为对于超过约2.5mm的距离而言质子通过电解质膜106的传输阻力变得无穷大，故在阴极隔室中发生析氧反应(OER)(等式1)及碳氧化反应(COR)(等式2)以提供质子来平衡阳极隔室中的ORR。
H2O＝1/2O2+2H++2e-(Erev＝+1.23V)等式(1)
C+2H2O＝CO2+4H++4e-(Erev＝+0.21V)等式(2)
阴极电势可达到1.2-1.5V，经过一段时间，该相对较高的电压将导致在阴极侧职称催化剂的碳衬底的损失。阴极衬底及催化剂面积的损失会降低操作电压，并最终缩短燃料电池100的寿命。
现参考图2，本发明的一个实施例可包括燃料电池系统10，其包括具有燃料电池堆12的燃料电池设备。燃料电池堆12可包括阳极侧14、阴极侧16、以及位于阳极侧14与阴极侧16之间的诸如固态聚合电解质膜的膜18。空气源或进口导管19可连接至空气压缩机20，并且空气压缩机出口导管22可从空气压缩机20通过设置在空气压缩机出口导管22中的第一或阴极入口阀24连接至燃料电池堆12的阴极侧16。蓄电池B可连接至空气压缩机20以向其供电。可以设置氢源26，例如存储罐中的压缩氢或存储罐中的液态氢。可以设置氢供应管路28在一端连接至氢源26并在第二端通过设置在氢供应管路28中的第二或阳极入口阀30连接至燃料电池堆12的阳极侧14以控制通过其的气流。
壳体32可至少部分封闭燃料电池堆12，并可设置作为壳体设备的一部分以例如在燃料电池堆关闭处理之后减少会扩散或以其他方式进入燃料电池堆12的空气或O2的量。壳体32可由任何合适的材料构成。例如，可使用抗腐蚀金属(例如，铝或不锈钢)来防止气体通过其渗透或扩散。在另一示例中，可使用金属塑料复合物，其中位于内侧的塑料可在与燃料电池堆12的导电部分接触的情况下防止短路，而位于外侧的抗腐蚀金属可使H2的向外扩散及大气氧的向内扩散降至最低。用于具有300个电池、300x450mm侧壁、并在80kPa条件下操作的示意性燃料电池的示意性壳体壁的厚度在Al-6061铝的情况下可以约为5mm。可以设计壳体32的外表面的全部或一部分为承载隔热体33(示出一部分)由此在关闭之后延长堆冷却时间。由此可防止燃料电池堆12在低于冰点的情况下简短关闭过程中迅速丧失热量。因此，在低于冰点的温度下启动过程中，对后续的启动操作是有利的，并可大大减少冻融循环的数量。此外，可以构造壳体32作为双层壳真空壳体。
在任何情况下，氢供应管路28均与壳体32的入口端口34连通，其中氢流入壳体32的内表面与燃料电池堆12的外部之间的内体积或氢室36。对于常规全尺寸堆而言，燃料电池堆12与壳体32之间示意性估计的气体量约为5至20升，由此可与燃料电池堆12内的反应物体积相比较，例如约为其20％以内。但是，燃料电池堆12与壳体32之间的体积可以是任何合适的量级。在另一示例中，体积可与车辆中燃料电池系统10的封装所允许的大小相同。氢气流入氢室36内并最终通过阳极入口38流入燃料电池堆12内。空气压缩机出口导管22通过壳体32连通，并通过阴极入口40与燃料电池堆12连通。
壳体32的氢室36可至少部分充满任何合适的泡沫体37(示出一部分)，其具有足以防止火焰传播的孔尺寸。泡沫体37可以由任何材料(例如，非导电材料)制成，以允许与燃料电池堆12接触而不发生电短路。泡沫体37可以是允许流经的开孔，具有约1mm的孔尺寸。壳体32的氢室36还可在其中包括催化剂35(示出一部分)以促进在延长关闭过程中会进入壳体32的空气中O2的消耗。例如，壳体32的内表面或其一部分可涂覆催化剂35。
可布置一个或更多传感器42与氢室36连通，由此监控O2的水平或空气泄漏。例如，传感器42可包括O2传感器，以及/或催化剂涂覆的温差电偶或其他合适类型的温度传感器。壳体32内的O2传感器可设定为10％的O2或更小以提醒任何的O2泄漏，并在堆密封件发生灾难性故障的情况下触发燃料电池堆12关闭。温度传感器可检测壳体内的空气，其中H2可被泵入壳体32以通过由催化剂涂覆的温度传感器表明的温度上升来检测空气的存在或不理想的空气量。此外，H2燃烧催化剂(诸如Pt)可涂覆在壳体32中以消耗任何从燃料电池堆12泄漏的氧。
可设置阴极排放导管44，其可延伸通过壳体32。阴极排放导管44可在一端直接连接至燃料电池堆12，并可包括第三或阴极出口阀46以控制通过其的气流。类似的，可以设置阳极排放导管48，其可延伸通过壳体32。阳极排放导管48可在一端直接连接至燃料电池堆12，并可包括第四或阳极出口阀50以控制通过其的气流。隔离阀24，30，46，50可邻近堆布置。
电路52可连接至燃料电池堆12，并可包括电气装置或负载54以及电开关56以使负载54相对于燃料电池堆12连接及断开。负载54可以是用于推进运输工具的电动机或电机。空气压缩机20可由燃料电池堆12产生的电驱动。可以任何合适的形式(例如通过燃料电池系统控制器(未示出)等)来控制空气压缩机20，阀24，30，46，50。
在燃料电池堆12正常操作过程中，空气压缩机出口导管22中的第一阀24可打开并且阴极排放导管44中的第三阀46也可打开，使得空气可输送通过燃料电池堆12的阴极侧16。类似的，氢供应管路28中的第二阀30可打开并且阳极排放导管48中的第四阀50也可打开，使得氢可输送通过燃料电池堆12的阳极侧14。壳体32的氢室36可处于阳极入口压力下，而入口H2可以任何合适的方式被预加热至堆操作温度。此外，冷却剂的向外泄漏可被导入阳极入口。对于阳极出口排向壳体32的氢室36的设计(例如，图6)，氢室36可处于阳极出口压力下，并可在其内发生冷凝。
在燃料电池堆关闭过程中，通过打开电路52中的电开关56可从燃料电池堆12断开负载54。可使用例如来自蓄电池B的辅助电能以使燃料电池系统10包括空气压缩机20的各种部件操作。但是，通过保持燃料电池堆12上的一些负载以消耗一些阴极空气，至少在堆关闭过程中可避免开路电压。
在关闭之前，阴极侧16可在高气流下操作以使燃料电池堆12为冻结温度做准备，随后可以关闭阴极入口及出口阀24，46。
例如，在关闭阴极入口及出口阀24，46之后，可根据预定关闭压力及/或温度来关闭阳极入口及出口阀30，50中一者或两者。
可在高于大气压的压力下保持在氢室36内供应氢以在阴极侧16仍然充满未消耗氧的同时防止空气从大气侵入。例如，通过关闭阳极出口阀50并保持阳极入口阀30至少部分及/或周期性打开可保持H2提高的压力。
根据一个实施例，取决于具体堆及壳体体积以及在冷却之后确保正H2压力的温度，可使H2关闭压力提升高于正常操作压力，例如达到160-180kPaabsolute(kPaabs)，在该压力点下H2阀关闭并且无需更多主动H2控制。因燃料电池堆12内的冷却(例如，水蒸气冷凝)以及H2/O2的重组合而产生的真空可由壳体32中的H2的初始提高压力平衡。在关闭之后，例如在阴极侧空气清除之后，燃料电池系统10可处于被动状态，其中无需对阳极入口及出口阀30，50进行任何主动控制。
总的壳体体积可随着关闭压力而变化，并且表A显示出假定壳体内的最终整体压力为110kPaabs，在两个不同关闭温度情况下壳体内的变化的关闭压力以及体积。在计算中，已经考虑了气体相及表面O2、因H2O冷凝造成的压降、以及气体冷却等因素。如括号内的第二组数值所示，通过消耗有效区域内的氧可大大减小这些体积。通过在关闭时阻挡气流并通过在保持氢压力的同时向堆施加负载直至电压达到0来消耗空气内的氧来实现以上目的。然后关闭所有通往或离开堆的阀(请参考以下数据)。
Figure A20091013216600121
根据另一实施例，可主动调节阳极入口阀30以在壳体32中保持相对较小的H2过压，例如约110-120kPaabs，直至燃料电池堆12已经冷却至诸如约30至50℃(具体而言约40℃)的预定温度，其中基本上完成了燃料电池堆12内H2/O2的重组合。此后，约15-30分钟之后，可以关闭H2入口阀30并关闭燃料电池堆12。因在每次关闭时填充壳体32达到提高的压力而造成的任何H2损失对应于小于约0.5兆焦耳(MJ)。
在任何情况下，堆电压然后开始下降，并且在阳极侧14中密封的H2可通过H2横穿来逐渐消耗阴极侧16的O2，同时从阴极侧16横穿膜18的O2可被阳极侧14的H2消耗。因此，允许堆中的氧被氢消耗。当电池电压下降至约0.05V时，阴极侧16中的氧已经被从阳极侧14横穿固态电解质膜18到达阴极侧16的氢消耗。因此，阴极侧16现在会充满氮及水蒸气。当燃料电池堆12冷却时壳体32的氢室36内的H2逐渐扩散到燃料电池堆12，由此使得水蒸气冷凝并减小了燃料电池堆12内气体的体积。
燃料电池堆12内部与壳体32的氢室36之间的气压将最终平衡。最终压力将由壳体32的内部氢室36的体积、关闭时的系统压力、以及在燃料电池堆12内因反应气体的消耗及水汽冷凝而产生的空闲体积来决定。
因为封闭燃料电池堆12中的氢过量，故阴极侧16中任何剩余的氧都会在关闭之后被消耗，由此使得阴极侧及阳极侧充满H2/N2气体混合物。在启动时，在阳极侧14将不存在H2/空气锋面，并且在阴极侧可能充满H2/N2混合物时阳极侧的任何H2/N2锋面都不会导致启动过程中阴极侧任何损坏。
在关闭之后，例如通过可以是阳极入口阀30的压力调节阀，壳体32内的压力可保持在正好高于大气压的提高的压力下。因此，可以周期性地主动或被动打开压力调节阀以保持提高的压力。压力调节阀可允许在周期性填充周期过程之外的时间隔离氢供应，并且壳体压力发生任何迅速及/或持续减弱都表示存在泄漏。在关闭之后预定时间，可通过主动关闭阀30来暂停氢的供应。
利用这里揭示的设备及方法，H2流经壳体32的氢室36。但是，如果氢室36未被反应物H2吹扫，则氢室36内的气体因从燃料电池堆12的阴极侧泄漏可包含O2。因此，当如图2所示使用流经系统时，从燃料电池堆12泄漏出的O2及任何湿气(H2O蒸气)都将被带到阳极并通过阳极催化剂表面上的H2氧化以电化学方式消耗。因此，在操作及关闭过程中均可确保无O2的H2气氛。
总体参考图3至图9，这些附图示出了燃料电池系统的其他实施例。这些实施例与图2的实施例在很多方面类似，并且在附图中不同的视图中不同实施例间类似的标号总体表示类似或相应的元件。此外，对实施例的描述通过引用而结合到彼此中，并且将不再重复对共同主题的描述。
参考图3，第二燃料电池系统310可包括加湿设备，其包括加湿器管路358、加湿器阀360、以及加湿器362。加湿器管路358的入口端可与壳体32的氢室36流体连通，并且加湿器管路358的出口端可与燃料电池堆12的阳极入口38直接流体连通。
因此，氢流经壳体32的氢室36，并进而在到达加湿器362的途中在直接接纳返回壳体32并进入燃料电池堆12的阳极入口38内之前经过加湿器管路358及加湿器阀360流出壳体32。可以任何合适的方式来控制加湿器阀360，例如通过燃料电池系统控制器(未示出)等。
参考图4，第三燃料系统410可包括阳极再循环设备，其包括延伸通过壳体32至其外部的再循环管路464、与再循环管路464流体连通的再循环泵466、以及与壳体32的氢室36并与再循环管路464流体连通的再循环三通管468。再循环管路464可密封地延伸通过壳体32，例如通过在两者之间任何合适的密封件(未示出)。再循环管路464的入口端或与燃料电池堆12的阳极出口39直接流体连通，再循环管路464的出口端可与燃料电池堆12的阳极入口38直接流体连通，而中间部分可与再循环泵466上游的泄放管路470流体连通。
因此，氢流入壳体32的氢室36、进入再循环三通管468、进入阳极入口38、通过燃料电池堆12、离开阳极出口39、通过再循环管路464及再循环泵466、并直接返回进入阳极入口38。氢还可通过泄放管路470流出再循环管路464。可以任何合适的方式，例如通过燃料电池系统控制器(未示出)等来控制再循环泵466。为了良好地换气，可以大致彼此相对地布置阳极入口38与阳极出口39，例如位于燃料电池堆12大致相对的角部。
参考图5，第四燃料系统510可包括阳极再循环设备，该阳极再循环设备包括延伸进入壳体32的再循环管路564、与再循环管路564流体连通的再循环泵566、以及与壳体32的氢室36并与再循环管路564流体连通的再循环三通管568。再循环泵566可布置在壳体32内以使壳体贯穿处的数量最小化并减轻泵密封要求。再循环管路564的入口端可与燃料电池堆12的阳极出口39直接流体连通，再循环管路564的出口端可与燃料电池堆12的阳极入口38直接流体连通，而中间部分可与再循环泵566上游的泄放管路570流体连通。泄放管路570可包括阀571，以例如当N2的浓度超过预定值时允许从阳极释放横穿的氮(以及混合的氢)。
因此，氢通常会流入壳体32的氢室36、进入再循环三通管568、进入阳极入口38、通过燃料电池堆12、离开阳极出口39、通过再循环管路564及再循环泵566、并直接返回进入阳极入口38。氢也可流出再循环管路564，通过泄放管路570，并离开泄放管路570。可以任何合适的方式，例如通过燃料电池系统控制器(未示出)等来控制再循环泵566。
参考图6，第五燃料系统610可包括阳极再循环设备，其包括延伸通过壳体32并至其外部的再循环管路664、与再循环管路664流体连通的再循环泵666、以及具有与壳体32的氢室36流体连通的入口端并延伸通过壳体32的排放管路672。排放管路672可密封地延伸通过壳体32，例如通过两者之间任何合适的密封件(未示出)。可设置排放管路672通过壳体32以去除冷凝物，并可包括泄放阀或排放阀673等。当因来自阳极出口的冷凝水使得壳体内存在较多积水时，排放阀673可打开。再循环管路664的入口端可与壳体32的氢室36流体连通，再循环管路664的出口端可与燃料电池堆12的阳极入口38直接流体连通，而中间部分可与再循环泵666上游的泄放管路670流体连通。
因此，氢通常流入再循环泵666下游的再循环管路664并进入阳极入口38、通过燃料电池堆12、离开阳极出口39、进入壳体32的氢室36、通过再循环管路664及再循环泵666、并直接返回进入阳极入口38。氢也可流出再循环管路664、通过泄放管路670，并离开壳体。可以任何合适的方式，例如通过燃料电池系统控制器(未示出)等来控制再循环泵666。
参考图7，第六燃料电池系统710可包括布置在壳体32的氢室36内并与氢供应管路28流体连通的氢分配导管774。第六燃料电池系统710还可包括导流板776，其在壳体32的氢室36内布置在氢分配导管774的上游，并在壳体32的内部与燃料电池堆12的外部之间密封接触。导流板776可由任何合适的材料(例如，任何合适的柔顺泡沫)制成，以适形于燃料电池堆12以及壳体32的壁。氢分配导管774及导流板776迫使氢在壳体32内围绕燃料电池堆12的周边吹扫。第六燃料电池系统710还可包括与燃料电池堆12的阳极出口39直接流体连通并延伸通过壳体32至其外部的泄放管路770。因此，氢流入并通过氢分配导管774、进入壳体的氢室36。因为导流板776的原因，氢在氢分配导管774下游流动、绕过燃料电池堆12的外围、紧在导流板776上游进入壳体32的阳极入口38，并离开燃料电池堆12的阳极出口39并通过泄放管路770离开壳体32。
参考图7A，示出了第六燃料电池系统710的一部分的横向剖面以显示外围流动吹扫。燃料电池堆12可包括多个板12a(示出一个)，其具有限定阳极入口38的阳极入口部分38a的密封件12b(图7)，并具有与阳极出口39流体连通的阳极出口集管39a(图7)。在该视图中，可以看到氢通过壳体壁流经氢供应管路28，并通过氢分配导管774进入壳体32的氢室36。因为导流板776可位于阳极入口部分38a的下游，故会迫使氢绕燃料电池堆12的外围在密封件12b与壳体32之间流动到达紧在导流板776上游的位置。从该位置，其可通过阳极入口部分38a流入燃料电池堆12。在燃料电池堆12中未被燃烧的过剩氢流出阳极出口集管39a及阳极出口39。
参考图8，第七燃料电池系统810可包括布置在壳体32的氢室36内并与氢供应管路28流体连通的氢分配导管874。第七燃料电池系统810还可包括导流板876，其在壳体32的氢室36内布置在氢分配导管874的上游并在壳体32的内部与燃料电池堆12的外部之间密封接触。第七燃料电池系统810还可包括阳极再循环设备，其包括延伸通过壳体32并至其外部的再循环管路864、与再循环管路864流体连通的再循环泵866、与壳体32的氢室36并与再循环管路864流体连通的再循环三通管868。再循环管路864的入口端可与燃料电池堆12的阳极出口39直接流体连通，再循环管路864的出口端可与燃料电池堆12的阳极入口38直接流体连通，而中间部分可与再循环泵866上游的泄放管路870流体连通。
因此，氢流入并通过氢分配导管874，进入壳体的氢室36。因为导流板876的原因，氢在氢分配导管874下游流动，绕过燃料电池堆12的外围，并紧在导流板876的上游进入再循环三通管868以及壳体32的阳极入口38。从该位置，其可流经燃料电池堆12，离开阳极出口39，通过再循环管路864及再循环泵866，并直接返回进入阳极入口38。氢还可通过泄放管路870流出再循环管路864。
参考图9，第八燃料系统910可包括阳极再循环设备，其包括延伸通过壳体32并至其外部的再循环管路964、与再循环管路964流体连通的再循环泵966、以及具有与壳体32的氢室36流体连通的入口端并延伸通过壳体32的排放管路972。再循环管路964的入口端可与壳体32的氢室36流体连通，再循环管路964的出口端可与燃料电池堆12的阳极入口38直接流体连通，而中间部分可与再循环泵966上游的泄放管路970流体连通。第八燃料系统910还可包括导流板976，其在壳体32的氢室36内布置在阳极出口39的上游，并在壳体32的内部与燃料电池堆12的外部之间密封接触。
因此，氢通常流入再循环泵966下游的再循环管路964并进入阳极入口38，通过燃料电池堆12、离开阳极出口39、进入壳体32的氢室36、并绕过燃料电池堆12的外围。导流板976将氢气流引导离开壳体32，通过再循环管路964及再循环泵966，并直接返回进入阳极入口38。氢也可通过泄放管路970流出再循环管路964。
参考图10，燃料电池设备11可包括图2所示的燃料电池堆12及壳体32。壳体32可包括至少部分包围并密封地封闭燃料电池堆12的连续壁或套管状部件。当然，壳体设备也可不全部密封地封闭燃料电池堆12，因为可为燃料电池堆12设置入口及出口。在任何情况下，壳体32均可被将燃料电池堆12夹在其间的燃料电池设备11端板80，81承载。具体而言，壳体32可以任何合适的方式被密封耦合至端板80，81。例如，壳体32可焊接、一体紧固、并/或利用诸如有头螺钉、螺栓等紧固件82来分离地紧固至端板80，81。诸如径向密封件或任何其他合适类型的一个或更多密封件83可布置在壳体32与端板80，81之间以至少部分地限定壳体32的密封氢室36。壳体32可承载连接器84，85以进行电信号或电能的输送。例如，连接器84，85可被密封或封装以通过穿通式连接器承载电线，例如用于连接至一个或更多加热器86的加热器线以及用于连接至燃料电池堆12的各个电池的电池电压监控器(CVM)线等。此外，CVM连接器85可以是光学连接器，其中壳体32可由诸如玻璃或透明塑料的透明材料制成。
用于燃料电池堆12的壳体设备可包括壳体32，以及燃料电池设备11的全部或部分湿及/或干的端部。例如，湿端板80及/或隔离板92可限定壳体设备的一端以利用例如用于燃料电池集管的现存密封贯穿部。类似的，干端板81及/或隔离板90可限定壳体设备的另一端部。壳体32可从燃料电池堆12的横向周边间隔开以避免壳体32与燃料电池堆12的导电部之间产生电弧。
燃料电池堆12可由干端板81支撑。此外，多个弹簧88可布置在端板81与推板89之间，隔离板90可布置在推板89与弹簧88之间。此外，加热器86及传输部件(buss component)91中的一者可布置在隔离板90与燃料电池堆12之间。此外，密封件91’可布置在传输部件91的末端与干端板81之间。
燃料电池堆12还可由湿端板80支撑。此外，隔离板92、加热器86中一者、以及集电器93可布置在湿端板80与燃料电池堆12之间。
一个或更多密封件94可设置在燃料电池堆12与隔离板90，92之间。类似的，一个或更多密封件95可设置在隔离板92与端板80之间。类似的，一个或更多密封件96可布置在隔离板92与紧固至其并与堆集管流体连通的歧管或流体装配件97之间。密封件94，95，96可以是轴向密封件及/或任何其他合适的密封件。
图11示出了燃料电池系统的另一实施例。该实施例与图2及图10所示的实施例在很多方面类似，实施例之间类似的标号总体表示附图中各种视图中类似或相应的元件。此外，对实施例的描述通过引用结合到彼此中，并且将不再重复对共同主题的描述。
燃料电池设备1111可包括燃料电池堆1112，并可设置有一个或更多外侧板1198，其可以是大致包围燃料电池堆1112的连续壁或套管状部件。外侧板1198大体可由燃料电池设备1111的端板1180，1181承载。具体而言，外侧板1198可以任何合适方式(例如焊接、一体紧固、并/或利用诸如有头螺钉、螺栓等独立紧固件1182)来安装至端板1180，1181。
燃料电池设备1111还可包括壳体设备，其包括径向布置在外侧板1198与燃料电池堆1112之间的壳体1132。隔离板1190，1192可在隔离板1190，1192的径向外周设置有轴向延伸部1179，1199以密封耦合至壳体1132以至少部分地限定其内部体积或氢室1136。此外，诸如径向密封件或任何其他合适类型的一个或更多密封件1183可布置在壳体1132与隔离板1190，1192之间以至少部分地限定壳体1132的密封氢室1136。壳体1132可承载一个或更多密封穿通式连接器1185以通过其承载电线，例如用于连接至燃料电池堆1112的电池电压监控线。
根据在上述一个或更多实施例中描述的设备及关闭技术，可在具有充足H2体积及压力的情况下被动地关闭燃料电池堆以维持堆内的正压力直至堆已经冷却。在关闭之后压力因气体收缩、冷凝、O2扩散到堆同时被从H2消耗以及H2从堆渗出而下降。然而，因此设备延长在任何空气可进入堆之前的时间。
这里揭示的方法及设备还可消除根据常规碳支撑膜电极组件在关闭之后延长时间过程中空气/空气存储状况，其会导致阴极侧及阳极侧严重的碳腐蚀。已经发现存储在阳极或阴极中的空气例如会在25℃(会发生碳氧化及O2还原)的情况下导致锋面分隔电池。尽管在25℃以下活动性较低，但假定在10年的燃料电池车辆寿命以及5500个操作小时的条件下，在82100个非操作小时过程中会损失常规碳的总量的5％(即，24小时*365天*10年-5500个操作小时＝82100小时)。5％的碳重量损失会导致峰值功率电流强度损失20-30mV。但是利用这里提出的设备及方法，因为燃料电池堆12在其未操作时可充满H2/N2，故可消除或大大减缓空气/空气存储状况。
相较于要求围绕堆周边相对较高密封区域的常规燃料电池堆，这里揭示的设备利用分离的壳体及相对较小密封区域密封地封闭堆的多个燃料电池。即使在最佳的壳体条件下，常规燃料电池堆的较大密封区域也通常会导致超过堆的总空隙体积的日常泄漏率。换言之，常规堆会在24小时周期之内损失其全部气体体积。相反，这里揭示的设备不会发生泄漏，或泄漏的程度极低。在任何情况下，均可使用设备来限定或控制围绕燃料电池堆的气体的成份，并例如可通过参考图7-9所述的流动路径来对泄漏物进行换气，其中氢气流绕体积吹扫以对任何泄漏物进行换气。
对本发明的实施例的以上描述仅是示例性质，因此其变化不应被视为脱离本发明的精神及范围。

Claims (47)

1.一种产品，包括：
燃料电池堆；以及
壳体设备，其密封地封闭所述燃料电池堆，以在所述燃料电池堆与所述壳体设备之间限定氢室。
2.如权利要求1所述的产品，其中所述燃料电池堆具有内部体积，该内部体积在所述氢室的体积的20％以内。
3.如权利要求1所述的产品，还包括燃料电池设备，所述燃料电池设备包括所述燃料电池堆、将所述燃料电池堆夹在两者之间的端板、以及位于所述端板与所述燃料电池堆之间的隔离板。
4.如权利要求3所述的产品，其中所述壳体设备包括所述端板以及密封耦合至所述端板的分离壳体中至少一者。
5.如权利要求4所述的产品，其中所述壳体设备包括位于所述隔离板与所述端板之间的密封件。
6.如权利要求4所述的产品，还包括至少一个传输部件，并且其中所述壳体设备包括位于所述至少一个传输部件与至少一个所述端板之间的至少一个密封件。
7.如权利要求3所述的产品，其中所述壳体设备包括所述隔离板以及密封耦合至所述隔离板的壳体中至少一者。
8.如权利要求7所述的产品，其中所述燃料电池堆包括连接所述端板的侧板，其中所述壳体布置在所述侧板与所述燃料电池堆之间。
9.如权利要求7所述的产品，其中所述壳体设备还包括布置在所述壳体与所述隔离板的轴向延伸凸缘之间的径向密封件。
10.如权利要求1所述的产品，其中所述壳体设备包括承载所述燃料电池堆与所述壳体之间的泡沫体的壳体。
11.如权利要求1所述的产品，其中所述壳体设备包括承载隔热件的壳体。
12.如权利要求1所述的产品，其中所述壳体设备包括承载所述燃料电池堆与所述壳体之间的催化剂的壳体。
13.如权利要求1所述的产品，还包括布置在所述氢室内的传感器。
14.如权利要求13所述的产品，其中所述传感器包括监控O2的水平的O2传感器。
15.如权利要求13所述的产品，其中所述传感器包括用于检测空气泄漏的催化剂涂覆的温度传感器。
16.如权利要求1所述的产品，还包括与所述氢室流体连通的氢供应管路。
17.如权利要求16所述的产品，还包括在所述氢室与所述燃料电池堆的阳极入口之间流体连通的加湿器管路。
18.如权利要求17所述的产品，还包括与所述加湿器管路流体连通的加湿器。
19.如权利要求18所述的产品，还包括在所述加湿器上游与所述加湿器管路流体连通的加湿器阀。
20.如权利要求16所述的产品，还包括在所述氢室与所述燃料电池堆的阳极入口之间流体连通的再循环管路。
21.如权利要求20所述的产品，还包括与所述再循环管路流体连通的再循环泵。
22.如权利要求21所述的产品，其中所述再循环泵布置在所述壳体设备的外部使得所述再循环管路延伸通过所述壳体设备的一部分。
23.如权利要求21所述的产品，其中所述再循环泵布置在所述壳体设备内部。
24.如权利要求21所述的产品，还包括在所述再循环泵上游与所述再循环管路流体连通的泄放管路。
25.如权利要求1所述的产品，还包括与所述燃料电池堆的阳极入口直接流体连通的氢供应管路，其中，所述燃料电池堆还包括与所述氢室流体连通的阳极出口。
26.如权利要求25所述的产品，还包括与所述氢室流体连通的再循环管路。
27.如权利要求26所述的产品，还包括布置在所述壳体设备的外部并与所述再循环管路流体连通的再循环泵。
28.如权利要求27所述的产品，还包括在所述再循环泵的上游与所述再循环管路流体连通的泄放管路。
29.如权利要求28所述的产品，还包括与所述氢室流体连通的排放管路。
30.如权利要求16所述的产品，还包括布置在所述氢室中并与所述氢供应管路流体连通的分配导管。
31.如权利要求30所述的产品，还包括导流板，其在所述分配导管上游布置在所述氢室内，并位于所述分配导管与所述燃料电池堆的阳极入口之间。
32.如权利要求31所述的产品，其中所述导流板由泡沫材料制成，由此密封地配合所述燃料电池堆以及所述壳体设备的一部分。
33.如权利要求31所述的产品，其中所述燃料电池堆包括与所述壳体设备的外部直接流体连通的阳极出口。
34.如权利要求31所述的产品，还包括再循环管路，其具有与所述燃料电池堆的阳极出口直接流体连通的一端，以及与所述燃料电池堆的阳极入口直接流体连通的另一端。
35.如权利要求34所述的产品，还包括与所述再循环管路流体连通的再循环泵。
36.如权利要求34所述的产品，其中所述阳极入口还与所述氢室直接流体连通。
37.如权利要求35所述的产品，还包括在所述再循环泵上游与所述再循环管路流体连通的泄放管路。
38.如权利要求25所述的产品，还包括导流板，其在所述阳极出口上游布置在所述氢室内。
39.如权利要求38所述的产品，还包括布置在所述壳体设备外部并与所述再循环管路流体连通的再循环泵、在所述再循环泵上游与所述再循环管路流体连通的泄放管路、以及与所述氢室流体连通的排放管路。
40.如权利要求1所述的产品，其中所述燃料电池堆包括阳极入口，以及大致相对于所述阳极入口布置的阳极出口。
41.如权利要求40所述的产品，其中所述阳极入口与阳极出口被布置在所述燃料电池堆的大致相对的角部。
42.一种方法，包括：
操作燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池堆以及燃料电池壳体，所述燃料电池壳体至少部分封闭所述燃料电池堆并在所述壳体与包括阳极侧及阴极侧的所述堆之间至少部分限定氢室，所述操作包括使氢流入所述阳极侧并使空气流入所述阴极侧，产生电，并利用该电操作连接至所述堆的主电气装置；
关闭所述堆，包括：
将所述堆从所述主电气装置断开；
使进入及离开所述阴极侧的空气流停止；
保持所述壳体与所述堆之间的所述氢室内氢的正压力高于大气压；并且
允许由氢消耗所述堆中的氧。
43.如权利要求42所述的方法，在已经使进入及离开所述阴极侧的空气流停止之后使进入所述阳极侧的氢流停止。
44.如权利要求42所述的方法，其中在约110至120kPa的压力下执行保持所述正压力并使进入所述阳极侧的氢流停止，直至燃料电池堆温度已经冷却至低于约50℃。
45.如权利要求43所述的方法，其中在约160至180kPa的压力下执行保持所述正压力。
46.如权利要求42所述的方法，其中在燃料电池堆关闭之后主动执行保持所述正压力。
47.如权利要求46所述的方法，其中利用主动操作的压力调节阀来执行保持所述正压力。
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