CN1300885C - 用于氢气－空气燃料电池系统的关闭方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统(100)可通过下列程序关停：断开主负载(148)、切断气流(139)并以可使燃料电池气体在各电池之间达到平衡的方式控制进入系统的燃料流(141)(包括切断该燃料流)及自系统排出的气流，此时，平衡气体组成包含至少0.0001%氢气(以体积计)(且较佳以体积计介于1.0%和小于4.0%氢气之间)且其余为氮气及其他可能的对该燃料电池呈惰性且无害的气体，所有氧气已通过在电池内与氢气反应而被消耗。在整个关停期间使该等电池内一直保持此气体组成，例如通过添加氢气以补充任何在关停期间因与泄漏于电池中的空气反应而消耗掉的氢气。此关停程序实质上不会引起电池性能的任何损失。

Description

用于氢气-空气燃料电池系统的关闭方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体而言，涉及用于关停一运行中燃料电池系统的程序。
背景技术
在现有技术的燃料电池系统中，已知当电路断开且电池两端不再有负载时(例如在电池关停时或关停期间)，存在于阴极的空气以及残留于阳极的氢气通常会引起不可接受的阳极和阴极电位，从而导致催化剂和催化剂载体的氧化和腐蚀并伴随电池效能降低。人们曾认为在电池关停时需立即使用惰性气体吹扫阳极流区域和阴极流区域两者以钝化阳极和阴极从而最小化或防止此种电池效能降低。此外，使用一惰性气体吹扫可避免在启动时存在氢气与空气的可燃性混合物的可能性，此为一安全问题。虽然现有技术最常用的手段是使用100％惰性气体作为吹扫气，然而，共同拥有的美国专利第5,013,617号及第5,045,414号揭示了使用100％氮气作为阳极侧吹扫气，而阴极侧吹扫混合物则包含百分含量很低的氧气(例如，低于1％)且其余为氮气。该两个专利亦讨论了在开始吹扫时可选择在电池两端跨接一虚电性负载以迅速将阴极电位降低至可接受的0.3-0.7伏之间的范围。
人们希望避免在为燃料电池储存及输送一单独惰性气源方面的费用，尤其在紧凑及低成本非常重要的自动化应用中及当系统必须经常关停和启动时。因此，需要安全、成本有效、不会引起效能显著降低且在燃料电池系统关停时、关停期间或重新启动时不需使用单独惰性气体气源的关停程序。
发明内容
根据本发明，一燃料电池系统通过以下程序关停：断开主要用电设备(以下称为“主负载”)；切断空气流；并在燃料流被切断的情况下以可使燃料电池气体在各电池之间达到平衡的方式控制进入系统的燃料流及排出系统的气流，此时，平衡气体组成(以干基计，例如，不包括水蒸汽)包含至少0.0001％的氢气且其余为燃料电池惰性气体；且在关停期间保持此一至少包含0.0001％(以体积计)的氢气且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。较佳地，平衡气体组成中的任何氮气皆来自直接引入系统或混入燃料的空气。
本文所用的“燃料电池惰性气体”指不与氢气或氧气反应或在燃料电池内反应、且不以其他方式显著损害电池效能因而对燃料电池无害的气体。燃料电池惰性气体亦可包括微量大气中的元素。若燃料为纯氢气且氧化剂为空气，“其余”燃料电池惰性气体将基本上全部为氮气，同时含有少量的大气中二氧化碳及微量大气中的其他元素。为本说明书之目的，因二氧化碳不与氢气或氧气反应且对燃料电池无任何其他方式的显著损害而将其视为一燃料电池惰性气体。
若燃料为经重整的烃，则进入电池的燃料包括氢气、二氧化碳及一氧化碳。根据电厂所用燃料处理系统的类型，氢气浓度可介于30至80体积％氢气。在此情况下，有时将空气(即，基本为氧气和氮气)注入该阳极流区域的燃料上游以氧化一氧化碳。一氧化碳不是燃料电池惰性气体，在关停程序期间需要通过与氧气反应完全转化为二氧化碳。因而，根据本发明，当燃料电池以一经重整的烃作业时，与使用纯氢气作为燃料的情况相比，“其余燃料电池惰性气体”可包含更大量的二氧化碳；然而，使平衡气体组成至少包含0.0001％氢气且其余为燃料电池惰性气体的目标是相同的。
通过一系列启动-关停试验发现，在关停时，在阳极及阴极流区域内产生一包含至少稀释浓度的氢气且其余为燃料电池惰性气体的平衡气体组成并随后在关停期间在阳极及阴极流区域内保持此一包含至少稀释浓度的氢气且其余为燃料电池惰性气体之组成基本上可消除当使用其他关停程序时可观察到的效能损失。人们亦观察到本发明的关停程序能够再生一已经历一系列关停和启动(在整个关停期间电池两侧保持100％空气)的电池系统所失去的电池效能。此再生是令人惊奇的，因为人们曾认为该失去的效能完全是由不可逆的催化剂及催化剂载体腐蚀造成的。由此效能恢复可得出结论：存在某一造成效能损失的其他机理，且本发明能恢复大部分(若非几乎全部)该效能损失。此改良在高电流密度时最显著。
人们推断，另一效能衰退机理是碳氧化物形成于碳载体材料表面上及铂氧化物形成于催化剂表面上。人们亦推断，若电极在关停过程期间(包括当电池处于闲置时)经受一高空气电位，则会形成该等氧化物。该等表面氧化物使碳及铂的可润湿性增加，从而引起局部液泛并因此损失效能。在本发明程序中可能对消除效能衰退起作用的因素是在关停期间保持一低电极电位(相对于标准氢电极)及当存在氢气时的化学及/或电化学反应。
在本发明程序中，需在关停期间保持的平衡氢气浓度基于多种因素。一个因素为0.0001％的氢气是将电极电位减少(并保持)为低于0.2伏而高于标准氢参考电极电位所需的最少氢气量。当低于0.2伏时，基本上可消除铂及铂载体的腐蚀和碳及铂的氧化。实际上，较佳采用至少1％的氢气浓度是因为两个原因：第一，其将使电极电位降低至低于0.1伏，在此电位水平实质上无腐蚀和表面氧化发生；及，第二，与更低浓度(例如，0.1％或以下)相比，其更易于测量、监测及控制。
氢气浓度范围的上限对防止电池效能损失并不重要。整个电池具有100％氢气时当然会很好地工作，但难于实现且非常昂贵。为此，10％的氢气浓度(其余为燃料电池惰性气体)是一个更实际的上限。另一方面，为安全起见，较佳采用并保持低于4％的氢气浓度，因为空气中含有高于4％的氢气被视为超过其可燃极限。若空气中含有低于4％的氢气，那么任何泄漏于或以其他方式引入电池的空气均不会导致危险。若将关停平衡氢气浓度保持于4％以下，则本发明将具有一附加优点，即，容许通过简单地通入燃料流和空气流来快速启动燃料电池，而不需首先用一惰性气体(例如，氮)吹扫来自阴极流区域的氢气。为了更加安全起见，关停期间的氢气浓度以不高于约3％为佳。
在本发明之一实施例中，当断开主负载并切断阴极流区域的空气供给后，继续供给阳极流区域新鲜燃料直至其余氧化剂被完全消耗。该氧化剂消耗较佳通过在电池两端跨接一小型辅助负载帮助完成，其亦能迅速降低电极电位。一旦消耗完所有氧化剂即停止燃料供给，关闭燃料出口阀，并将空气引入阳极流区域(若需要)直至阳极流区域的氢气浓度降低至一选定的中间浓度水平且高于期望的最终浓度水平。然后中断进入阳极流区域的空气流，并使燃料电池气体达到平衡，该平衡将通过气体在电解质中的扩散及氢气与添加的氧气之间的化学及电化学反应而达到。中间氢气浓度水平根据阳极和阴极流区域的相对体积来选择，以使获得的平衡氢气浓度(即，在所有氧气皆被消耗且氢气和燃料电池惰性气体完全分散于整个电池后)位于期望范围内。然后，在持续关停期间，监测氢气浓度并添加氢气(当且若需要时)以保持期望的氢气浓度水平。由于空气会泄漏或扩散于系统中及/或氢气泄漏或扩散(例如，通过密封)出系统，因而可能需要该后一添加氢气的步骤。当空气泄漏于系统中时，氢气与空气中的氧气反应而被消耗。因而，需要随时补充氢气以将氢气浓度保持于期望范围内。
在本发明关停程序的另一使用纯氢气或具有较高氢气浓度的重整油作为燃料的实施例中，断开主负载且切断至阳极流区域的氢气流和进入并穿过阴极流区域的新鲜空气流二者。这基本上可将初始量氢气捕获于阳极流区域内并将初始量空气捕获于阴极流区域内。在使用纯氢气作为燃料的实际规格的所有燃料电池系统中，所捕获氢气量将显著高于消耗全部所捕获氧气量所需者，因而使氢气浓度高于期望的最终平衡浓度。这种情况亦适用于高氢气浓度的重整油(在此实施例中亦可使用一辅助负载以快速降低电极电位并快速消耗氧气)。在上述任一情况下，均将一高于初始量的受限氧气流(最佳以空气形式)直接提供至阳极流区域中以进一步降低氢气浓度，直至气体达到具有一期望氢气浓度(其余为燃料电池惰性气体)或一位于预选定范围内的氢气浓度(例如，介于1％和3％之间)(其余为燃料电池惰性气体)的平衡气体组成。当平衡氢气浓度为期望浓度时，不再向阳极流区域供给空气。正如上述第一实施例中之状况，在关停期间监测阳极流区域内的氢气浓度。添加额外氢气(当且若需要时)以补充任何通过泄漏或通过与任何可能泄漏于系统中的氧气反应而损失的氢气。以此方式将气体组成保持于期望范围内直至该燃料电池系统再次启动为止。
附图简单说明
图1为可根据本发明程序关停的燃料电池系统的示意图。
图2和3展示经受两个不同系列的多次启动/关停/存储循环的燃料电池组的效能数据图，其中一个系列的循环包括本发明之关停和存储程序。
图4展示两个相同燃料电池组的效能数据图，两者均经受数百次启动/关停/存储循环，其中一个循环包括本发明之关停和存储程序。
具体实施方式
图1中展示一燃料电池系统100。该系统包括一燃料电池102，该燃料电池含有一阳极104(其在本文中亦称为阳极电极)、一阴极106(其在本文中亦称为阴极电极)和置于阳极和阴极间的电解质108。该电解质可采用美国专利第6,024,848号所述类型的质子交换膜(PEM)形式，或该电解质可容纳于(例如)通常存在于酸性水溶液电解质燃料电池(例如，磷酸电解质燃料电池)中的陶瓷基材内。该阳极包括一阳极板110，其具有一布置于其上且位于该基板面对电解质108一侧的阳极催化剂层112。该阴极包括一阴极板114，其具有一布置于其上且位于该基板面对电解质108一侧的阴极催化剂层116。该电池亦包括一毗邻于阳极板110的阳极流区域板118和毗邻于阴极板114的阴极流区域板120。
阴极流区域板120具有多个靠近阴极板延伸穿过该阴极流区域板的通道122，形成一阴极流区域，用于将一氧化剂(较佳为空气)自入口124穿过阴极传送至出口126。阳极流区域板118具有多个靠近阳极板延伸穿过该阳极流区域板的通道128，形成一阳极流区域，用于将一包含氢气的燃料自入口130穿过阳极传送至出口132。每一电池亦可包括一用于移除电池热量(例如通过使用一水泵134使水在流经冷却器131的回路132中循环)且毗邻于阴极流场板120的冷却器131、一用于散除热量的散热器136及一流量调节阀或孔板138。
虽然仅图示了一个电池120，实际上一燃料电池系统可包括多个相邻的电性串联连接的电池(即，电池组)，每一电池均具有一冷却器或分离器板(未图示)将一电池的阴极流区域板与相邻电池的阳极流区域板隔开。关于如图1所示的燃料电池的更详细信息，读者可直接查阅共同拥有的美国专利第5,503,944号和4,115,627号。第‘944号专利阐释了一固态聚合物电解质燃料电池，其中该电解质为一质子交换膜(PEM)。第‘627号专利阐释了一磷酸电解质燃料电池，其中该电解质为容纳于一多孔碳化硅基材层内的液体。本发明尤佳适用于PEM电池；但其亦可用于磷酸电池。
再一次参见图1，该燃料电池系统包括一含氢气的燃料源140和空气源142。该燃料可为纯氢气或其他富氢燃料，例如，经重整的天然气或汽油。一管道139将空气自源142输送至阴极流区域入口124；一管道141自出口运走废气。管道139、141中之每一个皆分别包括布置于其中的空气入口阀和出口阀139a和141a。一氧化剂循环回路133(其中布置有一氧化剂循环鼓风机135)可用于使废气自阴极流区域出口126循环返回阴极流区域入口124。
该燃料电池系统亦包括一连接阳极和阴极的外电路143、一布置于管道139内的鼓风机144、一燃料循环回路146及一布置于燃料循环回路内的燃料循环回路鼓风机147。外电路143包括一主负载、一与主负载并联的辅助电阻型负载150及与一与该辅助电阻型负载串联的二极管149。一空气供给管道151提供用于将来自空气源142(或来自除阴极流区域外的任何其他氧气源)的空气在循环鼓风机上游之一位置处添加至燃料循环回路中。一流量限制器152和一空气排泄阀153布置于管道151内。
在燃料电池正常作业期间，一主负载开关154被闭合(在图中显示其断开)，且一辅助负载开关156断开，以使该燃料电池为主负载提供电。鼓风机144、阳极流区域废气循环鼓风机147及冷却液泵134均处于工作状态。空气流量阀139a及141a均开启。关闭阀153以使无空气经该循环回路流入阳极流区域。一通往阳极流区域的燃料供给管道160中的燃料供给阀158开启，同样，阳极废气管道164中的阳极废气通气阀162亦开启。冷却液回路流量调节阀138亦开启；且冷却液泵134处于工作状态。
因而，在正常作业期间，来自源142的空气持续经管道139输送至阴极流区域入口124且离开出口126流经管道141。来自源140的含氢气燃料持续经管道160输送至阳极流区域。部分阳极废气(包括贫氢燃料)经管道164离开阳极通过放气阀162排出，同时循环鼓风机147以现有技术中已知的方式经循环回路重新循环其余阳极废气使其通过阳极流区域。循环部分阳极废气有助于在阳极流区域的入口130至出口132之间保持较均匀的气体组成并提高氢气利用率。当氢气通过阳极流区域时，其以一已知方式在阳极催化剂层上进行电化学反应以产生质子(氢离子)和电子。电子通过外电路143自阳极104流向阴极106以向主负载148供电。
为关停根据本发明之该实施例的工作中燃料电池系统，断开外电路143中的开关154以断开主负载148。燃料流量阀158保持开启；且燃料循环鼓风机保持运转以继续再循环部分阳极废气。然而，阳极废气放气阀162将根据引入燃料中的氢气百分比及燃料电池阳极和阴极侧的相对体积而保持开启或关闭，如下文所述。通过关闭空气入口阀和空气出口阀139a和141a将流向阴极流区域的新鲜空气流切断。主空气鼓风机144亦关停；然而氧化剂循环鼓风机135较佳运转以使空气在阴极流区域出口126至阴极流区域入口124之间循环。这将在阴极流区域内产生一均匀气体组成且最终有助于加快燃料电池气体在电池内达到平衡。辅助负载150通过闭合开关156接入。随着电流流过辅助负载，发生典型的电化学电池反应，使阴极流区域的氧气浓度减少且使电池电压降低。
辅助负载的使用较佳始于当燃料电池内仍有足够氢气与所有氧化剂进行电化学反应时。其较佳至少在电池电压降低至预选定值(较佳为每个电池0.2伏或以下)之前保持连接状态。跨接于阳极和阴极两端的二极管149用于探测电池电压且只要电池电压高于预选定值就容许电流通过负载148。以此种方式可将电池电压降低至且随后限制于该预选定值。当电池电压降至每个电池0.2伏时，基本上阴极流区域内的所有氧气及任何扩散于电池内的氧气皆已被消耗。此时辅助负载可通过断开开关156而断开；但其较佳在关停程序的其余时间保持连接以在电池关停时将电池电压限制于每个电池不大于0.2伏。
阳极废气放气阀162在前述程序期间是否需要打开取决于引入燃料中的氢气浓度和电池阳极和阴极侧的气体空间相对体积。在阳极侧，其包括阳极流区域及其相关的管道/歧管，例如循环回路管和燃料入口和出口歧管。在阴极侧，其包括阴极流区域及其相关的管道/歧管，例如，空气循环回路和空气入口和出口歧管。若阳极侧气体空间内捕获了足够的氢气来消耗存在于阴极侧气体空间内的所有氧气，则放气阀162可保持关闭。例如，假设燃料侧气体空间的体积为0.35立方英尺且氧化剂侧气体空间的体积为1.00立方英尺。亦可假设在关闭空气入口及出口阀139a和141a时，整个阴极侧气体空间的平均氧气浓度为15％。在这种情况下，若自氢气源140供给的燃料中的氢气浓度至少约为50％，则阳极侧有足够的氢气来消耗阴极侧的所有氧气。若该燃料为氢气浓度仅达30％的重整油，则至少需在氧气被消耗期间的部分时间内使燃料放气阀162保持开启；或者视情况使其保持开启直至所有氧气被消耗完为止。所属技术领域的技术人员可容易地确定在消耗氧气时是否需要继续通入燃料以及需要通入多长时间。
当消耗尽阳极和阴极流区域内的所有氧气时，关闭燃料供给阀158和阳极废气放气阀162(若开启)；然而，燃料循环鼓风机147仍保持工作状态。关停氧化剂循环鼓风机135。开启空气排泄阀153，以使额外氧气经循环回路146直接进入阳极流区域。阳极流区域内的氢气快速与氧气反应并消耗氧气，同时以慢得多的速度扩散于电解质中。当气体达到平衡时，对阀153实施控制以仅容许一定量足以使氢气浓度达到期望水平的氧气进入阳极流区域。这可通过使用适当布置的探测器(未图示)测量氢气浓度来达成。例如，氢气浓度可通过监测阳极流区域内的氢气浓度分两个阶段降低。在第一阶段，将浓度降低至预定的第一水平(以下称水平“A”)；且在第二阶段，将氢气浓度降低至期望的最终水平(以下称水平“B”)。已知电池两侧气体空间的相对体积，当阳极流区域内的氢气浓度达到水平A时不再为阳极提供空气。A的数值被选择为当至阳极流区域的空气流中断时最后的氧气被消耗且随后氢气扩散于整个电池时的数值，B为最终平衡氢气浓度水平，其余为燃料电池惰性气体。
例如，假设阳极流区域及其相关管道/歧管的体积为1.0单位且阴极流区域及其相关管道/歧管的体积为3.0单位，总体积为4.0单位。同时亦假设恰好在第一阶段结束时，基本上燃料电池内剩余的所有氢气皆位于阳极流区域和其相关管道内。一定量该氢气将在第二阶段期间重新分配。在第二阶段结束时，所有剩余氢气将扩散于4.0单位而不是1.0单位的体积中。最后，假设期望最终平衡氢气浓度介于1.0％及3.0％之间。基于这些假设，若阳极流区域的氢气浓度在第一阶段结束时为6％，则所得最终平衡氢气浓度为约1.5％。并且，若氢气浓度在第一阶段结束时为13.5％，则所得最终平衡氢气浓度为约3.4％。因此，在此实例中，若在第一阶段结束时阳极流区域内的氢气浓度介于6％及13.5％之间(即，水平A介于6％及13.5％间)，则在第二阶段结束时的氢气浓度(水平B)将必然会介于约1.5％至3.4％之间。很明显，所属技术领域的技术人员根据以上所述可轻易计算出适用此关停程序的特定燃料电池系统的A和B的正确数值。或者，可根据经验容易地确定A和B。
在另一实施例中，当中断通向阴极流区域的空气流后，阀153可间歇开启，且每一次注入空气后皆容许气体达到平衡。该平衡氢气浓度用传感器测量；且持续注入额外空气直至所探测的氢气浓度达到期望的最终氢气浓度，例如介于0.0001％至10％之间，较佳介于1.0％至4.0％之间，最佳介于1.0％至3.0％间(其余为燃料电池惰性气体)。此时可关停循环鼓风机147和冷却液泵134。然而，如上所述，较佳使辅助负载开关156保持闭合。
此时，该燃料电池系统被视为关停，以下有时将该状态称为“储存状态”，直至重新连接主负载且系统重新启动为止。在储存期间，空气可通过密封缓慢泄漏于阳极和阴极流区域；或氢气可泄漏于系统之外。当发生该现象时，燃料电池内的气体组成将发生改变。为弥补此泄漏并在储存期间将平衡气体组成保持在期望范围内，需监测阳极流区域内的氢气浓度。此较佳通过时常投入燃料循环鼓风机并在气体循环时使用阳极流区域或循环回路内的氢气探测器读取读数来达成。然后可将氢气或富氢燃料添加至阳极流区域(例如通过阀158)(如需要)，以在整个储存期间(即，当该系统关停时)将气体组成保持在期望范围内。
当重新启动该燃料电池系统时，通过断开开关156将辅助负载(若仍连接)断开。启动冷却液泵134。开启阀158、162、139a和141a，启动鼓风机144和147，由此使用氢气吹扫阳极流区域并使用空气吹扫阴极流区域。然后通过闭合开关154将主负载148连接于外电路143内。
虽然上述结合图1阐释的关停程序在关停时使用一辅助负载150初步降低电极电位，但是否使用辅助负载可视情况而定。当氢气耗尽流区域内剩余的所有氧气时，不使用辅助负载也可以将电极电位降低至最小化电池效能降低所需的水平。使用一辅助负载的优点是可加速电极电位的降低。电极电位通过监测氢气浓度和添加足够量的氢气以消耗任何泄漏于流区域中的氧气而保持于较低水平。
虽然图1的燃料电池系统100包含一用于在关停程序期间将所需额外空气输送至阳极流区域的单独管道151，但也可以使用其他装置。例如，环境空气可通过燃料放气阀162送至循环回路146中。
在图1的燃料电池系统中，分别位于空气入口和出口管道139、141的阀139a和141a用于在主负载断开后防止空气进入或离开阴极流区域。在某些燃料电池系统中，在空气鼓风机144上游管道和阀141a下游管道中的扩散路径可能足够长以致于可能不需要阀139a和141a。换言之，关停时，若扩散路径足够长，则在关停鼓风机144后，即使阀139a和141a仍保持开启，实质上亦无额外空气扩散至阴极流区域中。同样，在燃料侧，若放气阀162下游的扩散路径足够长，即使放气阀162仍保持开启，实质上亦无空气扩散至阳极流区域中。为此，甚至可将阀139a和141a自系统中去除。
使用共同拥有的美国专利第5,503,944号所述通用型PEM燃料电池组实施一可证明本发明关停程序之某些优点的实验。该等测试用一由15微米厚的电解质层组成的电池构造实施。该电解质层为用聚四氟乙烯增强的全氟磺酸离子聚合物。阳极催化剂由载于碳上的铂和钌组成且阴极催化剂为碳上的铂。其上涂布有两种催化剂的电解质以商品名“Primea 5561”自W.L.Gore and Associates of Elkton(Maryland)购得。该等测试以氢气作为燃料且以空气作为氧化剂在一个绝对大气压和50℃下实施。该等电池经受第一系列的启动和关停循环(循环A)，每一循环包括一短暂的主负载时间和一短暂的“储存”时间。不包括本发明关停程序的循环A如下：在关停程序开始前该电池组“带负荷”工作约65秒钟。在断开主负载时，切断至阴极的空气流并连接辅助负载同时使新鲜氢气和燃料循环气体继续流过阳极流区域约5秒钟以降低电极电位。然后停止新鲜氢气燃料流，但在6分钟内仍继续通入燃料循环流同时将空气吹入该燃料循环流。在此期间，电池内的所有氢气被耗尽。此时，阳极流区域仅包含氮气和氧气；将空气供给阴极流区域以确保阴极流区域内仅存在空气。然后断开该辅助负载并停止燃料循环鼓风机。接着将空气吹入阳极循环流，以使系统的阳极和阴极流区域二者中均具有100％空气。在短时停机(即，储存)后，通过重新连接该辅助负载重新启动该系统并用氮气吹扫阳极流区域。断开该辅助负载并开始向阳极流区域通氢气流且向阴极流区域通空气流。然后连接主负载并使电池在不超过400毫安/平方厘米的负载范围内运行一较短时间。然后重复该循环576次。每一循环用时501秒钟。
然后，使同一电池组经受第二系列的关停/启动程序(循环B)，其中该关停程序符合本发明之教示。循环B如下：断开主负载且切断至阴极流区域的空气鼓风机以使没有新鲜空气进入阴极流区域(注意：该系统不包括阴极废气阀。该测试设备包括直径为1.5英时长约4英尺的阴极废气管道，其可产生一防止反扩散的长扩散路径。)。将该辅助负载跨接于该电池组两端并继续泵送氢气使其通过阳极流区域约5秒钟同时燃料循环鼓风机保持工作状态。然后切断氢气流。在此期间，阴极流区域的氧气被氢气迅速消耗，且此时阴极和阳极流区域的气体组成(包括氢气且其余基本上为氮气)迅速达到平衡。停机或“储存”约5秒钟后，通过开启燃料入口阀重新启动该系统以使氢气流开始通过阳极流区域。再经过约5秒钟后断开该辅助负载(其在整个储存期间保持连接)并开始向阴极流区域通入空气流。此后约3秒钟后，连接主负载并使该电池在不超过700毫安/平方厘米的负载范围内运行一较短时间(约10秒钟)。一完整的循环B用时88秒钟。其重复2315次。因每一循环的储存时间很短，且氢气浓度始终保持于0.0001％以上，因而无需对其监测和调整。
上述实验结果以各种形式展示于图2和3中。图2展示了在循环A和B的过程中于400毫安/平方厘米时测量的平均电池电压。该电池组首先采用循环A经受576次启动和关停。然后该电池组采用循环B经受2315次启动和关停。竖线L表示自循环A至循环B的切换。经过首先经受的那些576次关停/启动过程后，平均电池电压自约0.760伏迅速降至约0.695伏。经过循环B中的2315次关停/启动过程后，电压恢复至约0.755伏。
在图3中，曲线I为电池组在任何关停/启动循环之前的平均电池电压对电流密度的曲线(即，曲线I为基线电池效能)；曲线A为576次循环A后的平均电池电压；曲线B为再经2315次循环B后的平均电池电压。应注意，电池电压经576次循环A后已自基线电池电压显著下降；但经2315次循环B后基本上所有电池电压损失在整个电流密度范围获得了恢复。
在上述实验中，在循环B的短暂“储存”时期中并未考虑所有氢气于电池重新启动前排出电池的时间。由于已知在循环A期间电极在储存期间暴露于空气电位，因而可得出结论：氢气的存在可防止因电极在关停程序期间暴露于空气电位所造成的效能降低。下面的另一实验可证明通过前述实验得出的结论：在一电池组上实施323次循环A(如上所述)，且在同一电池组上实施在本文中称为循环C的300次循环。除了关停时期自约5秒钟延长至408秒钟且在此期间氢气继续流向阳极流区域之外，循环C使用其他方面与循环B相同的关停和启动程序。此使得循环C的总循环时间为501秒钟，与循环A相同。
自该后一实验获得的结果展示于图4所示图形中。水平轴表示循环次数，竖直轴表示平均电池电压变化(与初始电池电压之间的变化)。循环A使平均电池电压在300次循环后下降约45毫伏，而300次循环C使平均电池电压实际上增加约9毫伏。

Claims (30)

1、一种用于关停一工作中燃料电池系统的方法，该系统包括至少一燃料电池，其中在该燃料电池系统正常工作期间，一连续空气流被供给一阴极流区域并通过该阴极流区域与一布置于至少一个燃料电池的每一个之内的电解质的一侧的阴极电极接触，且一连续新鲜含氢燃料流被供给一阳极流区域并通过该阳极流区域与一布置于电解质另一侧的阳极电极接触，且该至少一个燃料电池在一外电路内产生一电流，其中该电流用于驱动一连接于该外电路的主负载，该关停方法包括：
断开该主负载与该外电路的连接；
切断通往该阴极流区域的新鲜空气流；
切断该新鲜空气流后，通过使氢气与氧气在该至少一个燃料电池内反应降低该阴极流区域内剩余氧气的浓度并增加该至少一个燃料电池内的氢气浓度直至该阳极和阴极流区域内不存在氧气且该阳极和阴极流区域内的气体组成达到一其中包含至少0.0001％体积比的氢气且其余为燃料电池惰性气体的平衡气体组成为止；及
当达到该平衡气体组成时，在该系统关停期间一直保持一其中包含至少0.0001％体积比的氢气且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。
2、根据权利要求1所述的关停方法，其中该燃料电池惰性气体的平衡气体组成包括氮气，且该平衡气体组成中的所有氮气均来自引入该燃料电池系统的空气，包括将燃料供给阳极流区域前混入含氢燃料内的空气。
3、根据权利要求1所述的关停方法，其中该平衡气体组成的氢气浓度介于0.0001％至10.0％体积比之间，其余为燃料电池惰性气体，且该保持一其中包含至少0.0001％体积比的氢气的气体组成之步骤包括在该系统关停期间一直保持一其中氢气浓度介于0.0001％至10.0％体积比之间且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。
4、根据权利要求3所述的关停方法，其中该降低氧气浓度的步骤包括切断进入该阳极流区域的燃料流，其中在该断开主负载的步骤之后及在该切断空气流的步骤之后，但在该切断至阳极的燃料流的步骤之前，将一辅助负载跨接于该电池两端，并保持该负载直至每一电池的电池电压降低至0.2伏或以下为止。
5、根据权利要求1所述的关停方法，其中该平衡气体组成中的氢气浓度在0.0001％和小于4.0％体积比的范围内，其余为燃料电池惰性气体，且该保持一其中含有至少0.0001％体积比的氢气的气体组成的步骤包括在该系统关停期间一直保持一其中氢气浓度介于0.0001％和小于4.0％体积比之间内且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。
6、根据权利要求1所述的关停方法，其中该平衡气体组成中的氢气浓度在1.0％和小于4.0％体积比的范围内，且该保持一其中包含至少0.0001％体积比的氢气的气体组成的步骤包括在该系统关停期间一直保持一其中氢气浓度介于1.0％和小于4.0％体积比之间且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。
7、根据权利要求3所述的关停方法，其中该降低阴极流区域内氧气浓度的步骤包括通过一循环回路循环该阴极流区域气体直至该阳极或阴极流区域内不存在氧气为止。
8、根据权利要求7所述的关停方法，其中该降低氧气浓度的步骤包括将一辅助负载跨接于电池两端，并保持该负载直至每一电池的电池电压降低至0.2伏或以下为止。
9、根据权利要求3所述的关停方法，其中该电解质为一质子交换膜形式。
10、根据权利要求3所述的关停方法，其中该电解质为一酸性水溶液电解质形式。
11、根据权利要求4所述的关停方法，其中该辅助负载在该系统关停期间一直保持连接。
12、根据权利要求9所述的关停方法，其中，当在关停期间结束时重新启动该至少一个燃料电池时，需用含氢燃料吹扫该阳极流区域且用空气吹扫该阴极流区域，然后重新将该主负载跨接于该电池两端。
13、根据权利要求7所述的关停方法，其中在该降低氢气浓度的步骤期间但在切断进入该阴极流区域的空气流之后，采取添加所需量氧气至阳极流区域的步骤以将该至少一个燃料电池内的氢气浓度降低至一介于0.0001％至10％体积比之间的平衡浓度，其余为燃料电池惰性气体。
14、根据权利要求13所述的关停方法，其中该添加氧气的步骤包括添加所需量的氧气以将该至少一个燃料电池内的氢气浓度降低至一介于1.0％和小于4％体积比之间的平衡浓度。
15、根据权利要求1所述的关停方法，其中在该系统关停期间一直保持一其中包含至少0.0001％体积比的氢气浓度的气体组成的步骤包括在整个该关停期间至少定期测定该至少一个燃料电池内的氢气浓度，及添加所需氢气至阳极流区域以将氢气浓度保持于至少为0.0001％体积比的期望水平。
16、根据权利要求5所述的关停方法，其中在关停期间至少定期测定该至少一个燃料电池内的氢气气体组成，并添加所需氢气以在该系统关停期间一直保持一其中包含至少0.0001％及小于4.0％体积比的氢气浓度且其余为燃料电池惰性气体的气体组成。
17、一种用于关停一工作中燃料电池系统的方法，其中在该燃料电池系统工作期间一连续空气流被供给一阴极流区域与布置于电解质一侧的阴极电极接触，且一连续的新鲜含氢燃料流被供给一阳极流区域与布置于电解质另一侧的阳极电极接触，且该至少一个燃料电池在外电路内产生电流，其中该电流用于驱动连接于外电路的主负载，该关停方法包括：
断开该主负载与该外电路的连接；
切断至该阴极流区域的新鲜空气流，然后通过以下步骤降低该阴极流区域内剩余氧气的浓度并增加该至少一个燃料电池内的氢气浓度：a)控制进入该燃料电池系统的氢气量；b)直接将空气添加于该阳极流区域中；及c)控制离开该燃料电池系统的气体的流量，以使该阳极流区域和阴极流区域内的气体达到平衡，此时，平衡气体组成中的氢气浓度介于0.0001％及小于4.0％体积比的氢气之间且其余为燃料电池惰性气体，其中该平衡气体组成中的所有氮气皆来自引入该燃料电池系统中的空气，包括在将燃料供给该阳极流区域前混入燃料的空气；及
当该气体组成达到一其中选定氢气浓度位于该范围内且其余为燃料电池惰性气体的气体组成时，在该主负载断开连接的整段时间内通过根据需要添加氢气来保持一其中选定氢气浓度位于该范围内且其余为燃料电池惰性气体的平衡气体组成。
18、根据权利要求17所述的关停方法，其中该降低氧气浓度的步骤包括将一辅助负载跨接于电池两端并保持该负载直至每一电池的电池电压降低至0.2伏或以下为止。
19、一种用于关停一工作中燃料电池系统的方法，该系统包括至少一燃料电池，其中在该燃料电池系统正常工作期间，一连续空气流被供给一阴极流区域并通过该阴极流区域与一布置于至少一个燃料电池的每一个内的电解质的一侧的阴极电极接触，且一连续新鲜含氢燃料流被供给一阳极流区域并通过该阳极流区域与一布置于电解质另一侧的阳极电极接触，且该燃料电池在外电路内产生一电流，其中该电流用于驱动一连接于该外电路的主负载，该关停方法包括：
断开该主负载与该外电路的连接并切断通往该阴极流区域的新鲜空气流；并随后
切断通往该阳极流区域的新鲜燃料流并使含氢燃料与氧气在该电池内反应，直至该至少一个燃料电池内的所有氧气被耗尽且该阳极和阴极流区域内的气体组成达到平衡为止，此时，该气体平衡组成中包含至少0.0001％体积比的氢气且其余为燃料电池惰性气体。
20、根据权利要求19所述的关停方法，其中在断开该主负载连接及切断该通往阴极流区域的新鲜空气流之后，采取将一辅助负载跨接于该至少一个燃料电池两端并保持该负载直至每一电池的电池电压降低至0.2伏或以下的步骤。
21、根据权利要求19所述的关停方法，其中在该断开该主负载连接及切断该空气流的步骤后，但在该切断至该阳极流区域的新鲜燃料流的步骤之前，将一辅助负载跨接于该至少一个燃料电池两端并保持该负载直至每一电池的电池电压降低至0.2伏或以下为止。
22、根据权利要求20所述的关停方法，其中该辅助负载在整个关停期间保持跨接于该至少一个燃料电池两端。
23、根据权利要求21所述的关停方法，其中该辅助负载在整个关停期间保持跨接于该至少一个燃料电池两端。
24、根据权利要求19所述的关停方法，其中该使含氢燃料与氧气反应的步骤包括通过一循环回路再循环一部分该阳极流区域废气同时放出该阳极流区域废气。
25、根据权利要求24所述的关停方法，其中该再循环步骤包括排放一控制量空气于该循环回路中。
26、根据权利要求25所述的关停方法，其中控制该排放于该循环回路中的空气量以将该至少一个燃料电池内的氢气浓度降低至一介于0.0001％和10％体积比之间的平衡浓度，其余为燃料电池惰性气体。
27、根据权利要求20所述的关停方法，其中该电解质为一质子交换膜。
28、根据权利要求27所述的关停方法，其中该辅助负载在整个关停期间保持跨接于该至少一个燃料电池两端。
29、根据权利要求27所述的关停方法，其中在该关停方法结束时用氢气吹扫该阳极流区域并用空气吹扫该阴极流区域，并将该主负载重新跨接于该电池两端。
30、根据权利要求27所述的关停方法，包括在该系统处于关停期间一直保持一0.0001％体积比的氢气浓度，且其余为燃料电池惰性气体。
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Families Citing this family (97)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020076582A1 (en) * 2000-12-20 2002-06-20 Reiser Carl A. Procedure for starting up a fuel cell system using a fuel purge
US6858336B2 (en) * 2000-12-20 2005-02-22 Utc Fuel Cells, Llc Procedure for shutting down a fuel cell system using air purge
JP4374782B2 (ja) * 2001-01-18 2009-12-02 トヨタ自動車株式会社 車載用燃料電池システム及びその制御方法
DE10297626B4 (de) * 2002-01-04 2013-04-18 Utc Fuel Cells, Llc Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenabgas-Wiederverwertungskreislauf
DE10231208B4 (de) * 2002-07-10 2020-06-25 General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) Verfahren zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems
US7147945B2 (en) * 2002-09-16 2006-12-12 Utc Fuel Cells, Llc System for determining a gas composition within a shut down fuel cell power plant and method of operation
AU2003299059A1 (en) * 2002-09-30 2004-04-19 E.I. Du Pont De Nemours And Company Method for regeneration of performance in a fuel cell
TW200414596A (en) * 2002-09-30 2004-08-01 Du Pont Method for regeneration of performance in a fuel cell
DE60321109D1 (de) * 2002-10-31 2008-07-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
US6838199B2 (en) * 2002-12-26 2005-01-04 Utc Fuel Cells, Llc Start up system and method for a fuel cell power plant using a cathode electrode fuel purge
US20040247990A1 (en) * 2003-03-19 2004-12-09 Campbell Stephen A. Platinum alloy catalysts for electrochemical fuel cells
US20040202900A1 (en) * 2003-04-09 2004-10-14 Pavio Jeanne S. Dual power source switching control
DK1665433T3 (da) * 2003-06-25 2011-03-14 Hydrogenics Corp Passiv elektrodebeskyttelse i en brændstofcelle
US6984464B2 (en) * 2003-08-06 2006-01-10 Utc Fuel Cells, Llc Hydrogen passivation shut down system for a fuel cell power plant
US7479337B2 (en) * 2003-09-17 2009-01-20 General Motors Corporation Fuel cell shutdown and startup using a cathode recycle loop
US6939633B2 (en) * 2003-09-17 2005-09-06 General Motors Corporation Fuel cell shutdown and startup using a cathode recycle loop
JP4633354B2 (ja) * 2003-12-19 2011-02-16 本田技研工業株式会社 燃料電池の停止方法
US20050142399A1 (en) * 2003-12-31 2005-06-30 Kulp Galen W. Procedure for starting up a fuel cell using a fuel purge
JP4742501B2 (ja) * 2004-02-17 2011-08-10 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US7235318B2 (en) * 2004-02-24 2007-06-26 General Motors Corporation Fuel cell system back-pressure control with a discrete valve
JP2005259664A (ja) * 2004-03-15 2005-09-22 Ebara Ballard Corp 燃料電池スタックの運転方法および燃料電池システム
JP4797346B2 (ja) * 2004-08-25 2011-10-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4806913B2 (ja) 2004-09-16 2011-11-02 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP5122726B2 (ja) * 2004-09-16 2013-01-16 株式会社日立製作所 固体高分子形燃料電池方法、燃料電池システム及び記録媒体
JP4806181B2 (ja) * 2004-11-04 2011-11-02 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
WO2006064946A1 (ja) * 2004-12-15 2006-06-22 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム
CN101091142B (zh) * 2004-12-29 2010-05-26 Utc电力公司 燃料电池组件运行过程中的启动和关闭工序
US8481219B2 (en) * 2005-02-18 2013-07-09 Panasonic Corporation Fuel cell system and operation method thereof
EP1852930B1 (en) * 2005-02-22 2012-01-18 Mitsubishi Materials Corporation Solid oxide type fuel cell and operation method thereof
WO2007044971A1 (en) * 2005-10-12 2007-04-19 Ballard Power Systems Inc. System and method of controlling fuel cell shutdown
US20070128474A1 (en) * 2005-11-18 2007-06-07 Bach Peter J Shutdown procedure for fuel cell stacks
JP2007149574A (ja) * 2005-11-30 2007-06-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US20070154746A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Michael Penev Purging a fuel cell system
US20070154742A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Hao Tang Starting up and shutting down a fuel cell
US20070154752A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Mcelroy James F Starting up and shutting down a fuel cell stack
US20070154745A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Michael Penev Purging a fuel cell system
CN101346844A (zh) * 2005-12-30 2009-01-14 Utc电力公司 放气通过燃料电池燃料再循环回路
US20070207367A1 (en) * 2006-02-07 2007-09-06 Fellows Richard G System and method of operation of a fuel cell system and of ceasing the same for inhibiting corrosion
KR101274446B1 (ko) * 2006-03-31 2013-06-18 현대자동차주식회사 연료 전지 시스템
JP5168825B2 (ja) * 2006-06-23 2013-03-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US20080032163A1 (en) * 2006-06-23 2008-02-07 Usborne John D Preventing corrosion during start up and shut down of a fuel cell
JP5168828B2 (ja) * 2006-06-27 2013-03-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
US9614236B2 (en) * 2006-08-10 2017-04-04 GM Global Technology Operations LLC Method for mitigating cell degradation due to startup and shutdown via cathode re-circulation combined with electrical shorting of stack
US8062801B2 (en) * 2006-08-31 2011-11-22 Utc Power Corporation Avoiding coolant slump into reactant fields during PEM fuel cell shutdown
DE102006050182A1 (de) * 2006-10-25 2008-04-30 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
US8512902B2 (en) * 2006-11-07 2013-08-20 Daimler Ag System and method of purging fuel cell stacks
US8492046B2 (en) * 2006-12-18 2013-07-23 GM Global Technology Operations LLC Method of mitigating fuel cell degradation due to startup and shutdown via hydrogen/nitrogen storage
WO2008088309A1 (en) * 2006-12-21 2008-07-24 Utc Power Corporation Method for minimizing membrane electrode degradation in a fuel cell power plant
US20080152961A1 (en) * 2006-12-22 2008-06-26 Zhi Zhou Purging a fuel cell system
US20080154390A1 (en) * 2006-12-22 2008-06-26 Zhi Zhou Predicting reactant production in a fuel cell system
EP2132819B1 (en) * 2006-12-27 2012-05-02 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
US8974976B2 (en) * 2007-01-31 2015-03-10 GM Global Technology Operations LLC Method of humidifying fuel cell inlets using wick-based water trap humidifiers
US20080187788A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-07 Fellows Richard G System and method of operation of a fuel cell system and of ceasing the same for inhibiting corrosion
DE102007031071A1 (de) * 2007-03-12 2008-09-18 Daimler Ag Stillsetzen eines Brennstoffzellensystems
US20080292921A1 (en) * 2007-05-22 2008-11-27 Balasubramanian Lakshmanan Recovery of inert gas from a fuel cell exhaust stream
KR100878634B1 (ko) 2007-06-01 2009-01-15 유티씨 파워 코포레이션 연료 전지 조립체 작동을 위한 시동 및 정지 공정
US8855942B2 (en) * 2007-06-15 2014-10-07 GM Global Technology Operations LLC Anode bleed control strategy for improved water management and hydrogen utilization
KR101091661B1 (ko) * 2007-06-21 2011-12-08 기아자동차주식회사 연료전지용 캐소드의 카본 부식억제방법
US20080317946A1 (en) * 2007-06-21 2008-12-25 Clearedge Power, Inc. Fuel cell membranes, gels, and methods of fabrication
US20090023040A1 (en) * 2007-07-19 2009-01-22 Ford Motor Company Oxygen removal systems during fuel cell shutdown
JP5169056B2 (ja) * 2007-07-31 2013-03-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転停止方法
DE102007054826A1 (de) * 2007-11-16 2009-05-20 Daimler Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
US8119294B2 (en) 2007-11-19 2012-02-21 Clearedge Power, Inc. System and method for operating a high temperature fuel cell as a back-up power supply with reduced performance decay
US8043759B2 (en) 2008-04-23 2011-10-25 GM Global Technology Operations LLC Hydrogen chamber enclosed fuel cell stack and related fuel cell shutdown operation
FI122476B (fi) * 2008-07-10 2012-02-15 Waertsilae Finland Oy Menetelmä ja järjestely polttokennojärjestelmän suojakaasun kulutuksen vähentämiseksi
US20100035098A1 (en) * 2008-08-06 2010-02-11 Manikandan Ramani Using chemical shorting to control electrode corrosion during the startup or shutdown of a fuel cell
JP5471010B2 (ja) 2008-09-04 2014-04-16 日産自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
CN102217128B (zh) * 2008-09-17 2015-04-01 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 停止和启动燃料电池的方法
JP2010086853A (ja) * 2008-10-01 2010-04-15 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム及びその運転停止方法
JP2012504848A (ja) * 2008-10-03 2012-02-23 ユーティーシー パワー コーポレイション 燃料電池開放電圧の低電力制御
WO2010065017A1 (en) * 2008-12-04 2010-06-10 Utc Power Corporation Determining duration of fuel cell shutdown hydrogen stabilization by counting coulombs
JP5364492B2 (ja) * 2009-01-23 2013-12-11 株式会社東芝 燃料電池発電システム
DE102009036199A1 (de) 2009-08-05 2011-02-17 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug
DE102009036198B4 (de) 2009-08-05 2013-03-07 Daimler Ag Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems
FR2952232B1 (fr) * 2009-10-30 2011-12-16 Michelin Soc Tech Pile a combustible et procedure d'arret d'une pile a combustible.
US8232014B2 (en) * 2009-12-11 2012-07-31 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell operational methods for hydrogen addition after shutdown
US8722263B2 (en) * 2010-04-05 2014-05-13 GM Global Technology Operations LLC Feedback control of H2 injection during park based on gas concentration model
KR20120011598A (ko) 2010-07-29 2012-02-08 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법
WO2012036653A1 (en) * 2010-09-15 2012-03-22 Utc Power Corporation In-service fuel cell performance recovery
US9023550B2 (en) 2010-11-16 2015-05-05 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Nanocrystalline cerium oxide materials for solid fuel cell systems
US9537160B2 (en) * 2012-02-15 2017-01-03 GM Global Technology Operations LLC Operational method for a simplified fuel cell system
CN102621499B (zh) * 2012-03-28 2015-04-01 中国东方电气集团有限公司 用于测试燃料电池堆的装置
US9231261B2 (en) 2012-05-31 2016-01-05 Daimler Ag System and method for minimizing fuel cell degradation after shutdown
WO2014014503A1 (en) * 2012-07-17 2014-01-23 Sun Catalytix Corporation Increased durability in hydrogen bromide cell stacks by inhibiting corrosion of hydrogen electrodes
EP2945816B1 (en) * 2013-01-11 2019-09-18 Audi AG Power-on shutdown of fuel cell power plant for enhanced durability
EP2840636A1 (de) * 2013-08-20 2015-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellenanlage
CN103647092B (zh) * 2013-10-30 2016-02-03 张勇 延长燃料电池寿命的方法和装置
KR102290282B1 (ko) * 2014-09-15 2021-08-17 삼성전자주식회사 금속-공기 전지
JP6183435B2 (ja) 2014-10-09 2017-08-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
AT518956B1 (de) * 2016-08-02 2019-04-15 Avl List Gmbh Verfahren zum herunterfahren einer generatoreinheit mit einer brennstoffzellenvorrichtung
CN107248582A (zh) * 2017-05-26 2017-10-13 中国东方电气集团有限公司 燃料电池的动力系统与交通工具
US20190036132A1 (en) * 2017-07-28 2019-01-31 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
CN110474071B (zh) * 2018-05-11 2022-08-23 江苏清能新能源技术股份有限公司 一种燃料电池系统的供氢装置及其运行方法
CN110911712B (zh) * 2018-09-18 2021-11-02 上海恒劲动力科技有限公司 一种燃料电池系统及其停机和启动时吹扫和排水的方法
CN110752394B (zh) * 2019-09-25 2021-07-20 潍柴动力股份有限公司 燃料电池泄露检测方法及检测系统
DE102020116712A1 (de) 2020-06-25 2021-12-30 Audi Aktiengesellschaft Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellen-Fahrzeug
DE102023202740A1 (de) * 2023-03-27 2024-10-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Abschaltung, insbesondere zur H2-Entleerung und Spannungsabsenkung, einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5013617A (en) * 1989-12-29 1991-05-07 International Fuel Cells Corporation Air ejector system for fuel cell passivation
US5045414A (en) * 1989-12-29 1991-09-03 International Fuel Cells Corporation Reactant gas composition for fuel cell potential control
US5170124A (en) * 1990-06-08 1992-12-08 Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Method and apparatus for monitoring fuel cell performance
US5991670A (en) * 1995-12-29 1999-11-23 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power control system for a fuel cell powered vehicle
US6127057A (en) * 1998-08-12 2000-10-03 International Fuel Cells, Llc Self-inerting fuel cell system

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5832903B2 (ja) * 1978-07-28 1983-07-15 富士電機株式会社 燃料電池の休止方法
JPH0793147B2 (ja) * 1987-01-23 1995-10-09 三菱電機株式会社 燃料電池発電システム
JPH0878037A (ja) * 1994-08-31 1996-03-22 Aqueous Res:Kk 燃料電池発電システム及びその運転方法
KR0171207B1 (ko) * 1994-11-11 1999-03-30 와다 아키히로 고분자 전해질형 연료 전지와 그 운전 제어 방법
US5529683A (en) * 1995-03-20 1996-06-25 United Technologies Corp. Method for preventing degradation of membranes used in electrolytic ozone production systems during system shutdown
JP3915139B2 (ja) * 1996-05-30 2007-05-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池発電装置
JPH1032013A (ja) * 1996-07-18 1998-02-03 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池のパージ方法
AU7181998A (en) * 1996-11-14 1998-06-03 Dais Corporation Fuel cell stack assembly
US6025083A (en) * 1998-02-25 2000-02-15 Siemens Westinghouse Power Corporation Fuel cell generator energy dissipator
US6309768B1 (en) * 1999-07-02 2001-10-30 International Fuel Cells Llc Process for regenerating a carbon monoxide oxidation reactor
US6242120B1 (en) * 1999-10-06 2001-06-05 Idatech, Llc System and method for optimizing fuel cell purge cycles
US6461751B1 (en) 1999-12-06 2002-10-08 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for operating a fuel cell
US6395414B1 (en) * 2000-02-11 2002-05-28 General Motors Corporation Staged venting of fuel cell system during rapid shutdown
US6376112B1 (en) * 2000-02-11 2002-04-23 General Motors Corporation Controlled shutdown of a fuel cell
US6413662B1 (en) * 2000-02-22 2002-07-02 General Motors Corporation Fuel cell system shutdown with anode pressure control
US6562496B2 (en) * 2000-05-01 2003-05-13 Delphi Technologies, Inc. Integrated solid oxide fuel cell mechanization and method of using for transportation industry applications
US6514635B2 (en) * 2001-01-25 2003-02-04 Utc Fuel Cells, Llc Procedure for shutting down a fuel cell system having an anode exhaust recycle loop

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5013617A (en) * 1989-12-29 1991-05-07 International Fuel Cells Corporation Air ejector system for fuel cell passivation
US5045414A (en) * 1989-12-29 1991-09-03 International Fuel Cells Corporation Reactant gas composition for fuel cell potential control
US5170124A (en) * 1990-06-08 1992-12-08 Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Method and apparatus for monitoring fuel cell performance
US5991670A (en) * 1995-12-29 1999-11-23 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power control system for a fuel cell powered vehicle
US6127057A (en) * 1998-08-12 2000-10-03 International Fuel Cells, Llc Self-inerting fuel cell system

Also Published As

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