CN102217128A - 停止和启动燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种操作PEM燃料电池的方法，PEM燃料电池包括用于给阳极侧(14)输送反应气体的阳极输送管路和用于给阴极侧(16)输送阴极气体的阴极输送管路。所述方法适用于停止和启动燃料系统的发电操作，在停止模式中包括以下步骤：响应于停止信号减少反应气体和阴极气体的供应，监测燃料电池堆(12)中至少一块电池的输出电压，监测反应气体压力和阴极气体压力，响应于达到预定电压水平的输出电压电分流所述至少一块电池，通过至少一个泵(16，18)至少将阳极侧(14)的压力减小至预定的压力水平，并且用惰性气体填充和/或冲刷至少阳极侧(14)。

Description

停止和启动燃料电池的方法
技术领域
本发明涉及操作燃料电池系统的方法，特别是用于以使性能随时间的退化被最小化这样的方式来停止和启动燃料电池系统的方法。本发明进一步涉及对应的燃料电池系统。
背景技术
上述类型的电化学燃料电池将反应物，通常是氢气气流和氧气气流，转化为电力和水。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常包括设置在两个多孔导电电极层之间的固体聚合物电解质膜以构成膜电极组件(MEA)。为了引发所需的电化学反应，阳极电极和阴极电极均包括一种或多种催化剂。这些催化剂通常被设置在膜/电极层的接触面处。
在阳极，氢气流过多孔的电极层并且被催化剂氧化以生成质子和电子。质子通过固体聚合物电解质向阴极迁移。氧气这部分流过多孔的阴极并在阴极与通过膜到来的质子反应。电子通过外部电路从阳极向阴极行进以形成电流。
典型的质子交换膜燃料电池堆包括一对端板组件和多个燃料电池组件。反应物和冷却液流通过端板内的入口和出口被提供给堆内的内部歧管和通道并由此排出。
每一个燃料电池组件都包括阳极流场板、阴极流场板和介于这些流场板之间的膜电极组件(MEA)。阳极流场板和阴极流场板由导电材料制成并用作集流器。因为一块电池的阳极流场板与相邻电池的阴极流场板背靠背放置，所以电流能够从一块电池流向另一块电池并由此流过整个堆。在现有技术已知的其他燃料电池堆中，个体电池通过流场板之间的冷却元件隔开或者通过单块的双极流场板隔开而不是由单独的阳极流场板和阴极流场板隔开。
流场板在相邻的燃料电池组件之间进一步提供了流体隔离以避免提供给一块电池阳极的反应流体污染提供给另一块电池阴极的反应流体。在MEA和板之间的接触面处，流场板将反应流体引向电极。流场板通常包括在流场板面向MEA的主表面内形成的多条流体流动通道。流场板的一种用途就是将反应流体分配到相应电极的整个表面上，也就是将氢气分配在阳极侧上以及将氧气分配在阴极侧上。
关于PEMFC的一个已知问题就是性能随时间的逐渐退化。实际上，已经证明固体聚合物燃料电池可以长时间工作，但是只有在相对理想的条件下才有可能实现。相比之下，当燃料电池必须在宽泛的各种条件下工作时，特别在用于机动车辆应用时就正是这种情况，不断改变的条件(通常被模型化为负载循环和启动-停止循环)已经表现出会使耐用性和寿命显著下降。
不同类型的非理想条件已经在文献中加以鉴别。这些条件中的第一种被称为“高电池电压”，已知将燃料电池暴露在低电流或零电流条件下与在平均恒定的电流下工作相比会导致更高的退化速率。第二种非理想条件是“低电池电压”，进一步已知从燃料电池中引出尖峰电流也会导致退化速率的提高。根据以上事实可知，为了保持燃料电池的寿命，优选的是既要避免“高电池电压”的工作条件，又要避免“低电池电压”的工作条件。换句话说，燃料电池应该只在有限的电压范围内工作。
为了应对在机动车辆应用中很常见的负载突变，通常将电化学能量存储单元例如电池或超级电容器与燃料电池相连。电池可以用作缓冲器：在负载中有尖峰时提供电力，并且相反地在低负载或零负载状态的情况下存储过多的电力。原则上，这样的设置即可允许燃料电池在希望的有限电压范围内工作。但是，一旦电池被完全充电，很明显就不能够再用于存储由燃料电池提供的过多电力。对于这一新问题已知的解决方案是简单地停止燃料电池，直到电池的充电水平达到一个较低的阈值为止。但是，启动-停止循环仍然会导致性能随时间而退化。
例如文献US 2008/0038595A1公开了一种用于停止包括有燃料电池的电力供应系统的方法。这种已知的停止过程在收到停止信号时被激活并且包括初始阶段、消耗阶段、中和阶段和结束状态，在初始阶段期间中断氧气供应，在消耗阶段期间从燃料电池引出持续电流，在中和阶段期间将输氧管路通向大气环境，在结束状态期间中断氢气供应。还要采取进一步措施以使得氢气压力永不低于大气压力，也就是停止程序结束时氧气管路中的压力。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于操作燃料电池系统的方法，其中启动-停止循环的重复执行具有降低性能退化的效果。本发明的另一目标是提供一种燃料电池系统，具有适当的启动-停止过程，在停止和启动期间减少了反应物的消耗。
本发明中操作燃料电池系统的方法由所附权利要求1和11定义。相应的燃料电池系统进一步在权利要求15中定义。本发明的可优选实施例是相应从属权利要求中的主题内容。
根据本发明，一种燃料电池系统的停止过程以响应于控制系统生成相应的停止信号而减少阳极气体和阴极气体的供应开始。在本文中，阳极气体通常包括燃料气体，例如纯氢气或富氢气。阴极气体通常包括含氧气体或纯氧气。最终考虑到氧气和氢气电化学反应的化学计量关系，反应气体也就是阳极和阴极气体的供应被突然地或稳定地减少。尽管阳极气体和阴极气体的外部供应可以被中断，但是燃料电池系统中阳极侧管路和阴极侧管路内剩余的气体仍然会反应并提供电力和反应产物，通常是水或水蒸汽。
在该初始停止步骤中，监测燃料电池的输出电压以及阳极气体压力和阴极气体压力及其各自的分压。只要单块燃料电池的输出电压处于预定的电压范围内，特别是处于0.3V/电池和0.8V/电池之间，阳极气体和阴极气体的化学反应就仍在继续。在这一首次停止步骤期间，阳极气体和阴极气体的气体压力会由于正在进行的电化学反应而自发地下降。优选地，阳极输送管路和阴极输送管路均以闭环模式工作，其中从燃料电池堆中各自的出口选出的阳极气体和阴极气体通过再循环管路被送回到燃料电池堆中。
一旦燃料电池的输出电压下降到低于例如为0.3V/电池或者甚至是0.1V/电池的预定阈值，那么燃料电池堆中的至少一块电池即被电分流以避免累积起高电池电压，否则通过燃料电池堆内剩余的反应物可能就会产生这样的高电池电压。通常，不仅可以分流单块燃料电池，而且可以分流多块燃料电池或者甚至是整个燃料电池堆。在例如通过单个电阻或者通过多个足够量级的电阻来分流至少一块燃料电池之后，至少是燃料电池阳极侧的压力就会进一步减小到预定的压力水平。这种减小可以通过至少一个泵和/或通过相应反应物正在进行的电化学消耗来实现。
在本文中，进一步应该注意到可以用各种不同的方式来分流整个电池堆。电池堆的分流例如可以通过利用单个电阻来实现。可选地，可以利用适当的电池专用电阻来单独分流电池堆中每一块单独的电池。更进一步地，也可以通过电池组专用的电阻来分流电池组。要分流整个电池堆，所需的电阻数量及其量级必须被调节为要被分流的电池或电池组的数量。
在已达到预定的压力水平之后，用对化学反应具有抑制效应的惰性气体通常是氮气或氩气来填充和/或冲刷压力减小的阳极侧。通过压力减小以及随后用惰性气体填充或冲刷燃料电池堆的阳极侧，退化机制即可被减弱。而且，能够有效地减少阴极侧过电压的出现，阴极侧过电压可能会在氢气和氧气或来自于氢气-氧气锋面的氢气和空气在阳极侧相遇的情况下产生。
而且，与现有技术中的解决方案相比，在用惰性气体填充和/或冲刷阳极侧之前，至少所述阳极侧的压力减小提供了惰性气体只会与阳极气体轻微混合的优点。另外，通过使用泵从阳极侧抽出的阳极气体可以被输送至存储容器并且不会流失。而且，由于阳极侧能够基本上被抽空，因此要用所述惰性气体完全填充阳极侧所必须提供的惰性气体更少。这是因为不必再用惰性气体来将阳极气体冲出或者清洗出燃料电池堆的阳极侧。
在一个优选实施例中，在用惰性气体填充或冲刷阳极侧和阴极侧之前，燃料电池系统阳极侧和阴极侧的压力都被减小至预定的压力水平。用惰性气体填充或冲刷阳极侧和阴极侧可以相继和/或同时进行。通常，在阳极气体和阴极气体的压差被保持为低于0.5bar，优选地低于0.3bar时是有利的。因此，燃料电池系统的控制单元必须对例如氧气和氢气的压力都进行监测。根据两种反应物在停止初始阶段期间的消耗，可以通过从外部选择性地提供所需反应物或者通过利用阳极输送管路或阴极输送管路的再循环泵选择性地提供所需反应物而将压差保持在该预定区间内。
根据另一个优选实施例，在用惰性气体填充和/或冲刷阳极侧和/或阴极侧之前，阳极侧阳极气体的分压以及阴极侧阴极气体的分压都被减小到0.02bar以下。
而且，希望在阳极侧或阴极侧的泵控压力峰值减小开始之前，阳极侧和/或阴极侧的气体绝对压力明显低于环境压力。通常，在60℃的堆温下，阳极侧和/或阴极侧的气体压力可以下降到0.3bar或者甚至更低的区域内。根据本发明的方法进一步希望在阳极侧和/或阴极侧的压力被有效降低之前，例如利用泵可在该停止的初始阶段期间尽可能的降低反应物的分压。
在停止的初始或第一阶段结束时，该阶段也可以被表示为“电化学模式”并且刚好在阳极侧和/或阴极侧的压力被有效减小之前，堆内的压力主要由水汽压决定，因此也就是由电化学反应的产物决定。
在进一步优选的实施例中，阳极侧和/或阴极侧的压力水平被减小为接近于水汽压。阳极侧和阴极侧的之间的压差在停止的第二阶段期间优选地被保持为低于0.2bar，优选地低于0.1bar。
根据进一步优选的实施例，在阳极侧和阴极侧压力减小期间，含有氧气的阴极气体被释放到环境中和/或优选为氢气的阳极气体被输送到存储容器中。因此，阳极气体未被简单地释放并因此浪费而是以适当的方式被储存，以使其能够在随后的发电操作模式中被使用。
根据另一个实施例，如果阴极侧的气体总压力下降到低于环境压力，那么燃料电池系统的阴极侧就会至少临时性地向大气环境开放以使环境空气进入。优选地，如果阴极侧的气体总压力处于0.5bar到0.7bar的范围内，那么阴极侧就会向大气环境开放。通常，环境空气的这种进入是在停止的第一阶段期间进行，其中氢气和氧气被正在进行的电化学反应所消耗。
由于环境空气主要包括氮气，因此在正在进行的电化学反应中，阴极侧会自发地富集氮气或者聚集富氮空气。进一步在该实施例中，在随后用惰性气体填充和/或冲刷之前，只有阳极侧的压力会被有效减小。通过在停止初始阶段期间临时性地开放阴极侧，富氮空气会自发地聚集在阴极侧。
根据本发明进一步优选的实施例，用来自惰性气体存储容器的惰性气体来冲刷燃料电池系统的阳极侧。用这种方式，就能够以成本有效和精确的方式对车载惰性气体的供应装置进行设置。对于惰性气体存储容器，其应用绝不局限于仅仅是填充和/或冲刷阳极侧。通常，管路、阳极侧和阴极侧都可以用来自所述容器的惰性气体填充和/或冲刷。
在进一步的实施例中，其中阴极侧在停止的第一阶段期间被临时性地向大气环境开放，阳极气体和阴极气体反应的氮气或富氮气体的剩余气体被至少部分地输送至存储容器。附加地或可选地，由环境空气进入阴极侧生成的氮气或富氮气体也可以在随后被使用，以利用氮气或富氮气体来填充或冲刷阴极侧。另外，阴极侧和/或阳极侧的填充或冲刷可以由存储容器提供的氮气或富氮气体支持。在典型的实施例中，富氮气体包括至少90％，优选地包括至少98％的氮气。
在进一步的应用中，本发明进一步提供了一种操作燃料电池特别是启动已停止燃料电池的发电操作的方法。在在先的停止程序中，用惰性气体填充和/或冲刷燃料电池系统的阳极侧和阴极侧，并且电分流燃料电池例如通过电阻。用于在第一步骤中启动燃料电池系统发电操作的方法包括至少持续预定的时段(通常是若干秒的范围内，例如20秒左右)从阳极侧和阴极侧抽出惰性气体。
附加地或可选地，抽气过程一直进行到在阳极侧和/或阴极侧达到预定的压力水平为止。从阳极侧和/或阴极侧抽出的惰性气体优选地被输送到存储容器中，由此允许在随后的停止过程中重复利用这些惰性气体。在预定的时段已过或者在已经达到通常处于0.3bar到0.5bar范围内的预定压力水平时，就用阳极气体来填充和/或冲刷燃料电池系统的阳极侧。
随后，用阴极气体通常是纯氧或富氧气体例如环境空气来填充和/或冲刷阴极侧。一旦阴极侧和阳极侧都已用相应的阳极气体和阴极气体充分填充或冲刷，即可从燃料电池堆中引出电力并且与此同时或者在引出电流之后去除燃料电池堆中至少一块燃料电池的电分流。
优选地，在填充和/或冲刷阳极侧和/或阴极侧期间，阳极侧和阴极侧之间的压差被保持在低于0.5bar的范围内。
而且，根据可应用于停止以及启动过程的进一步优选的实施例，阳极输送管路和/或阴极输送管路中的再循环泵被用于实现阳极侧和/或阴极侧的压力减小并且可以进一步被用于以惰性气体来填充和/或冲刷阳极侧和/或阴极侧。燃料电池系统中存在的泵的这种方式可以被用于根据本发明的停止以及启动过程。因此，对于压力减小或抽空以及用于填充和/或冲刷阳极侧和阴极侧，通常就不需要再采用另外的泵。
根据另一种独立应用，本发明提供了一种燃料电池系统，包括阳极输送管路和阴极输送管路，阳极输送管路用于给燃料电池的阳极侧输送阳极气体，优选地是纯氢或富氢气体，而阴极输送管路用于给阴极侧输送阴极气体，优选地是纯氧或富氧气体例如空气。为了停止和启动发电操作模式，燃料电池系统包括惰性气体存储容器和用于将至少阳极侧的压力减小至预定压力水平的至少一个泵。而且，该系统包括用于以惰性气体填充和/或冲刷燃料电池系统的至少阳极侧的装置。
用这种方式，燃料电池系统提供了一种停止过程，其中在将优选为氮气的惰性气体输送到阳极侧和/或阴极侧内之前，燃料电池或燃料电池堆的阳极侧和/或阴极侧的压力可以被减小至远低于环境压力的压力。
而且，燃料电池系统适用于执行上述的启动过程，其中至少一个泵适用于在用阳极气体填充或冲刷阳极侧之前以及其中在也用阴极气体填充或冲刷阴极侧之后分别从阳极侧和/或阴极侧抽出惰性气体。
附图说明
本发明的其他特征和优点将在阅读以下参照附图仅作为非限制性示例给出的说明内容之后变得显而易见，在附图中：
-图1示意性地示出了正常工作模式下的燃料电池系统，
-图2示出了切断外部反应物供应之后的燃料电池系统，
-图3示出了阳极侧和阴极侧的压力减小，
-图4示出了用惰性气体填充阳极侧和阴极侧，
-图5示出了惰性气体的抽出，
-图6示意性地示出了用氢气填充阳极侧，
-图7示出了用氧气或阴极气体填充阴极侧，
-图8示出了用于停止燃料电池系统的流程图，
-图9示出了可选的停止过程的流程图，以及
-图10示出了用于重启燃料电池系统的流程图。
具体实施方式
如图1中所示的燃料电池系统10包括燃料电池堆，通常是具有阳极输送管路和阴极输送管路的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。阳极输送管路被连接至阳极供气管42，而阴极输送管路被连接至阴极供气管44。该系统进一步具有冷却管路34，冷却管路34通过热交换单元36，38被热连接至供气管42，44。
在正常的发电操作条件下，由供气管42提供的通常为氢气的阳极气体被送往阳极侧14。阳极侧14进一步具有设计用于再循环废气的废气再循环机构，废气从燃料电池12排出并且包括通常为尚未被电化学地转化的氢气的阳极气体。该废气被送往气-液分离器29并通过喷射泵30重新进入阳极侧14。用类似的方式，从阴极侧排出的废气被送往相应的气-液分离器31并通过喷射泵32重新进入阴极输送管路或阴极侧16。
燃料电池堆12的阳极侧14和/或阴极侧16中的任意一侧进一步具有维持各自气体循环的再循环泵18，20。而且，阳极侧14具有阀22，而阴极侧16具有阀24。燃料电池系统10的阳极侧14进一步通过阀22被连接至供气管40，而阴极侧16通过另外的阀26被连接至供气管40。可选地，阴极侧16也可以被连接至未在此进一步示出的不同和另外的供气管。供气管40适用于双向操作。它用于从阳极侧14和阴极侧16抽出剩余的反应物。例如，可以如图3中所示通过供气管40将过量的氢气输送至存储容器28。另外，过量的阴极气体例如纯氧或富氧气体也可以通过供气管46从阴极侧16抽走并释放到环境中。
按图2至4的顺序，示意性地示出了根据本发明的停止过程。在第一步，如图2中所示，通过关闭相应的阀门41，43来减少或者甚至是完全中断反应物的供给。在该停止的初始阶段，燃料电池堆12内的化学反应仍在继续。由于外部提供的反应物被节流或者甚至中断，因此只要化学反应还在继续，那么氢气和氧气的分压就会持续下降。在该停止的初始阶段期间，监测燃料电池的输出电压以及阳极侧和阴极侧的气体压力。
只要电池电压保持在安全和可靠的预定电压范围内，该范围优选地处于0.1伏/电池到0.8伏/电池之间，并且其中没有发生阳极气体或阴极气体的短缺，就仍然可以从系统中引出电力。一旦燃料电池脱离该预定的电压范围，也就是说如果例如每块电池的输出电压下降到低于0.3伏或者甚至是低于0.1伏，那么堆12上的电力负载就要被相应地减小。如果输出电压不能被保持在所述的预定范围内，那么电力负载最终将被断开。
在典型的实际条件下，阳极侧14和阴极侧16的气体压力远低于环境压力。该压力在60℃的堆温度下可以处于例如0.3bar的范围内。而且，气体绝对压力通常主要基于水汽压。反应物氢气和氧气的分压可以低于0.1bar。在电力负载被断开之后，通过电阻来电分流单块电池、若干块选中的电池或者整个燃料电池堆12。电阻通常具有5欧/电池的电阻率。例如，对于200块电池的堆的分流，电阻可以由1kΩ构成。通过电分流单块燃料电池或者整个燃料电池堆12，即可避免由于堆12内剩余反应物的化学反应而造成过电压的累积。
在分流选定的燃料电池堆之后，通常通过使用再循环泵18来减小至少阳极侧14的气体压力。在图3中，过量的氢气被送至氢气存储容器28。可选地，通过再循环泵20、阀26和供气管46将阴极侧16中包含的过量氧气抽出排到大气中。通过再循环泵18，20对阳极侧14和阴极侧16进行的这种抽空可以将反应物的分压减小到低于100mbar的范围内。例如，低于0.02bar的分压是能够达到的并且也是有利的。因此，反应物的分压就会变得几乎可以忽略不计。而且，并未具体示出的控制单元用使阳极和阴极之间的压差能够保持在低于0.1bar这样的方式来控制阳极侧14和阴极侧16的压力减小。
如果已经达到了预定的压力水平，就如图4中所示用由存储容器28提供的惰性气体来填充和/或冲刷阳极侧14和阴极侧16。由于阳极侧14和阴极侧16包含远低于环境压力的压力水平，因此与现有技术中进入的惰性气体必须要驱除剩余反应物的解决方案相比就能够减少惰性气体的消耗。
在图5中示出了重启燃料电池系统10的第一阶段。在该阶段，再循环泵18，20被用于从阳极侧14和阴极侧16抽走惰性气体。优选为氮气的惰性气体随后通过输送管路40被送往存储容器28。在阳极侧14压力充分下降或者甚至是抽空之后，如图6中所示用阳极气体(例如氢气)来填充和/或冲刷所述阳极侧14。随后，如图7中所示，还要用由纯氧、富氧气体或空气构成的阴极气体来填充和/或冲刷阴极侧16。一旦阳极侧14和阴极侧16都被充分地充满反应物，即可将电力负载加至燃料电池堆12，并且去除电分流。
在燃料电池系统重启期间，阳极侧14和阴极侧16的压力下降是在预定的时段期间进行的，该时段通常在几秒钟(例如5到30秒之间，优选为20秒左右)的范围内。附加地或可选地，抽走惰性气体一直进行，直到达到预定的压力水平例如0.3bar到0.5bar之间为止。如果满足了这些条件中的任意一条或者两方面条件均已满足，即可通过相应地切换各自的阀22，24，26来使再循环泵18，20转换到再循环模式。在用相应的阳极气体或阴极气体填充或冲刷阳极侧14和阴极侧16期间，控制单元适用于控制压力的增加以使阳极侧14和阴极侧16压力之间的差值不会超过0.5bar。
图8以流程图示出了如图2至4的程序中所示的停止过程。在第一步骤100，生成的指示停止燃料电池系统10发电操作模式的停止信号在步骤102造成外部气体供应的减少或者甚至是中断。随后系统就处于其停止的初始阶段，在此期间的第一后续步骤104中，监测燃料电池堆12的电压水平。由于这些变化，在步骤106中电压和电力负载就变得都要经过修正。只要在随后的步骤108中，监测的电压以及因此对应的电力负载处于0.1V/电池到0.8V/电池的预定范围内，优选地处于0.3到0.8V/电池之间，就继续步骤104，106和108的循环。一旦在步骤108监测到电压下降为低于预定的阈值，就在后续步骤110中利用足够大的电阻来对燃料电池堆12进行分流并且中断电力负载。
随后，在步骤112，优选地通过各自的再循环泵18，20在最终步骤114之前减小阳极侧14和阴极侧16的压力，在最终步骤114，用可以由惰性气体存储容器提供的惰性气体填充或冲刷阳极侧14和阴极侧16。
根据图9的流程图表示一种可选的停止过程。在此，步骤200，202，206，208，214，216，218和220的程序与图8中所示的过程直接对应，其差别仅在于在步骤218和220用惰性气体填充或冲刷之前就例如通过使用泵仅仅有效降低阳极侧14的压力。在停止的第一阶段期间，在阳极侧14的压力减小开始之前，也在步骤204监测阳极侧14和阴极侧16的压力水平。一旦监测的压力在步骤210进入预定区间例如0.5bar到0.7bar的绝对压力之间，就在步骤212将阴极侧16至少临时性地向大气环境开放以使环境空气进入。由于堆12内的电化学反应继续进行，因此阴极侧16处的阴极气体分压就会在增加的氮气作用的影响下进一步下降。用这种方式，通过将阴极侧16临时性地向大气环境开放，所述阴极侧就变为基本上被氮气或富氮气体充满而无需在先的压力减小或抽空。
在进一步的变形中，还可以设想将由于正在进行的化学反应而在阴极侧16获得的氮气被抽走并送往氮气存储容器28，以提供用于在惰性气体填充或惰性气体冲刷的最终阶段期间被输送至阳极侧14的氮气的存储器。因此，通过环境空气在所述燃料电池停止的第一阶段期间进入阴极侧16，就能够生成氮气或富氮气体用于和所述惰性气体一起来填充或冲刷阳极侧14和阴极侧16。
图10以简化的流程图最后示出了燃料电池系统10的重启过程。此处，在第一步骤300，生成的指示启动燃料电池系统10发电操作模式的启动信号导致步骤302，在该步骤中如图5所示通常通过再循环泵18，20抽走存在于阳极侧14和阴极侧16的惰性气体。在后续步骤304中，当已达到预定的压力水平时，用阳极气体填充或冲刷阳极侧14。随后，在步骤306，相应地也用阴极气体填充或冲刷阴极侧16。最后，在步骤308，将电力负载加至燃料电池系统10并去除燃料电池堆12的分流。
附图标记列表
10燃料电池系统
12燃料电池堆
14阳极侧
16阴极侧
18再循环泵
20再循环泵
22阀
24阀
26阀
28存储容器/惰性气体供应装置
29气-液分离器
30喷射泵
31气-液分离器
32喷射泵
34冷却管路
36热交换器
38热交换器
40供气管
41阀
42供气管
43阀
44供气管
46供气管

Claims (15)

1.一种操作燃料电池系统(10)的方法，燃料电池系统(10)包括用于给阳极侧(14)输送阳极气体的阳极输送管路和用于给阴极侧(16)输送阴极气体的阴极输送管路，所述方法适用于停止燃料电池系统(10)的发电操作并且包括以下步骤：
-响应于停止信号减少阳极气体和阴极气体的供应，
-监测燃料电池堆(12)中至少一块电池的输出电压，
-监测阳极气体压力和阴极气体压力，
-响应于达到预定电压水平的输出电压电分流燃料电池堆(12)中所述至少一块电池，
-将至少阳极侧(14)的压力减小至预定的压力水平，
-用惰性气体填充和/或冲刷至少阳极侧(14)。
2.如权利要求1所述的方法，其中在用惰性气体填充和/或冲刷阳极侧(14)和阴极侧(16)之前，燃料电池系统(10)的阳极侧(14)和阴极侧(16)的压力被减小至预定的压力水平。
3.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中阳极气体压力和阴极气体压力的差值被保持为低于0.5bar，优选地低于0.3bar。
4.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中在用惰性气体填充和/或冲刷阳极侧(14)和/或阴极侧(16)之前，阳极气体的压力和阴极气体的压力被减小到0.02bar以下。
5.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中在阳极侧(14)和阴极侧(16)的压力减小期间，阴极气体被释放到环境中和/或阳极气体被输送到存储容器(28)中。
6.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中在阴极侧(16)内的总压力处于0.5bar到0.7bar之间的范围内时，阴极侧(16)被临时性地向大气环境开放以供环境空气进入。
7.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中氮气或富氮气体被用作惰性气体。
8.如权利要求6或7所述的方法，其中在只有阳极侧(16)的压力减小之后，用来自惰性气体存储容器(28)的惰性气体来填充和/或冲刷所述阳极侧(16)。
9.如权利要求6至8中的任意一项所述的方法，其中阳极气体和阴极气体反应中的氮气或富氮气体的剩余气体被至少部分地输送至存储容器(28)。
10.如权利要求6至9中的任意一项所述的方法，其中用来自存储容器(28)和/或来自阴极侧(16)的氮气或富氮气体来填充和/或冲刷阳极侧(14)。
11.一种操作燃料电池系统(10)的方法，燃料电池系统(10)包括用于给阳极侧(14)输送阳极气体的阳极输送管路和用于给阴极侧(16)输送阴极气体的阴极输送管路，其中在在先的停止程序中，用惰性气体填充和/或冲刷所述阳极侧(14)和阴极侧(16)，并且电分流燃料电池堆(12)，所述方法适用于启动燃料电池系统(10)的发电操作并且包括以下步骤：
-从阳极侧(14)和阴极侧(16)抽出惰性气体，持续预定的时段或者直到达到预定的压力水平为止，
-用阳极气体填充和/或冲刷阳极侧(14)，并且随后
-用阴极气体填充和/或冲刷阴极侧(16)，
-去除电分流。
12.如权利要求11所述的方法，其中阳极侧(14)和阴极侧(16)之间的压差被保持为低于0.5bar。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中惰性气体被输送到惰性气体存储容器(28)中。
14.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中阳极侧(14)和/或阴极侧(16)的再循环泵(18，20)被用于减小阳极侧(14)和/或阴极侧(16)的压力和/或被用于以惰性气体来填充和/或冲刷阳极侧(14)和/或阴极侧(16)。
15.一种燃料电池系统，包括阳极输送管路和阴极输送管路，阳极输送管路用于给阳极侧(14)输送阳极气体，而阴极输送管路则用于给阴极侧(16)输送阴极气体，其中为了停止和启动发电操作，燃料电池系统进一步包括：
-惰性气体存储容器(28)，
-用于将至少阳极侧(14)的压力减小至预定压力水平的至少一个泵(18，20)，以及
-用于以惰性气体填充和/或冲刷至少阳极侧(14)的装置。
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