CN1717827A - 利用空气吹扫关闭燃料电池系统的程序 - Google Patents

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Abstract

一种关闭运行中的燃料电池系统的程序包括：断开主要用电设备，停止含氢燃料向阳极的流动，然后向阳极燃料流场鼓入空气迅速地将剩余氢气用空气排出。足够快地用空气吹扫阳极流场可以不采用例如氮气等惰性气体进行吹扫。

Description

利用空气吹扫关闭燃料电池系统的程序
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更具体而言，本发明涉及用于关闭运行中的燃料电池的程序。
背景技术
在燃料电池领域中所周知，当电路断开并且电池不再接有负载时，例如关闭电池时以及关闭电池过程中，阴极上存在的空气以及阳极上剩余的氢燃料经常会产生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、腐蚀并且伴随着电池性能下降。人们认为电池一关闭就需要立即用惰性气体吹扫阳极流场和阴极流场来钝化阳极和阴极，以将电池性能下降减至最小程度或防止电池性能下降。此外，使用惰性气体吹扫避免了氢和空气混合形成一种可燃混合气的可能性，这是一个安全问题。虽然使用100％的惰性气体作为吹扫气体在现有技术中非常普遍，但本申请人共有的美国专利5,013,617和5,045,414描述了使用100％的氮气来作为阳极侧的吹扫气体，而阴极侧的吹扫混合气包括非常少量的氧气(例如低于1％)，余量为氮气。这两个专利还讨论了在开始吹扫过程中选择连接一模拟电负载至电池上以迅速降低阴极电位至可接受限值0.3-0.7伏特之间。
例如对于汽车应用来说，燃料电池电源装置的紧凑性和服务时间间隔很重要的，因此不宜使用氮气或其它惰性气体作为燃料电池的关闭或启动吹扫气体。另外，需要避免与储存和向电池供给惰性气体相关的费用。因此，就需要一种安全、有成本效率的关闭和启动程序，其不会引起显著的性能下降，且不需要使用惰性气体，或对于燃料电池正常运行来说不需要任何其它气体。
发明内容
根据本发明，一种用于关闭运行中的燃料电池系统的程序包括断开主要用电器件，停止含氢燃料向阳极的流动，然后通过吹送空气通过阳极燃料流场来将阳极燃料流场中剩余的燃料移走。
在一个使用一堆本申请人共有的美国专利5,503,944中描述的通用类型的质子交换膜燃料电池的实施例中，主要用电器件的连接被断开，燃料(氢)向阳极的流动和空气向阴极的流动被切断。未曾试图使用例如惰性气体吹扫的方式来吹扫阳极流场中的剩余燃料或阴极流场中的空气。为了再次启动电池，需要将燃料和氧化剂直接充入它们的各自的流场。(上述程序以下简称为″未受控″启动/停用循环)。人们发现以这种方式工作的电池堆组件出现了以前没有观察到的快速性能衰减。(这在下文中将结合图3中的曲线″J″进一步讨论)。此外，人们发现大量启动/停用循环对电池性能的影响比负载下长时间正常运行更有害。最后通过实验确定，关闭和启动程序都是电池出现快速性能衰减的原因；并且已公知，如果根据现有技术，每次关闭时用惰性气体来钝化电池，这样的快速衰减就不会发生。对只发生了几十次未受控启动/停用循环的电池的研究表明25％到50％的高表面积炭黑阴极催化剂载体被腐蚀掉，而这在现有技术中并未见报道。
进一步的试验和结果分析使我们相信下列机制引起了上述实验中出现的性能衰减：图2示出了一种质子交换膜燃料电池的示意图。(注意将要描述的机制也适用于使用其它电解质，例如对离子流进行适当改变的磷酸或氢氧化钾的电池)。图2中，M表示一种一侧具有阴极催化剂层C以及另一侧具有阳极催化剂层A的质子交换膜(PEM)。输送空气至阴极催化剂的阴极空气流场被虚线分成空气区域1和2。在正常情况下将氢在阳极催化剂上从入口I输送到出口E的阳极燃料流场也被同一条虚线分成两个区域。位于虚线左侧并且与入口I相邻的区域充满了氢气，用符号H2标示。位于虚线右侧并且与出口E相邻的区域是区域3并且充满了空气。
当发生未受控关闭时(也就是说关闭操作未采取任何特别步骤以限制性能衰减)，一些剩余氢气和氧气在它们各自的阳极和阴极流场中扩散通过质子交换膜(各自扩散至电池的另一侧)并且在催化剂上反应(视情况而定与氧气或者氢气反应)生成水。阳极上氢气的消耗将阳极流场的压力降低至环境压力以下，导致外部空气在出口E处被吸入阳极流场，形成氢气/空气锋面(图2中的虚线)，所述锋面慢慢从燃料出口E通过阳极流场向燃料入口I移动。最后阳极流场(和阴极流场)完全被空气充满。启动电池时，空气流被直接引入并通过阴极流场，氢气流被引入阳极流场入口I。在电池阳极侧，这导致了氢气/空气锋面的形成(这也由图2中的虚线表示)，所述锋面通过阳极流场越过阳极，移走它前面的空气，将其排出电池。在任何一种情况下，(也就是说关闭和启动时)都有氢气/空气锋面移过电池。在移动锋面的一侧(图2中的H2区域)，阳极基本上仅暴露在燃料(也就是氢气)中；在H2区域对面的阴极流场的区域1中，阴极仅暴露在空气中。电池的那个区域以下称为H2/空气区域：也就是说氢气在阳极，空气在阴极。在移动锋面的另一侧，阳极基本上仅暴露在空气中；与区域3相对的阴极流场的区域2也暴露在空气中。电池的那个区域以下简称为空气/空气区域：也就是说空气既在阳极上又在阴极上。
阳极流场中同时出现氢气和空气导致接触(see)氢气的阳极部分和接触空气的阳极部分之间产生短接的电池。这就导致在膜M内产生少量的质子(H+)平面内流动以及穿过膜产生大量的质子透过平面的流动，其方向沿着标有H+的箭头的方向，并且在电池的每一侧上产生电子平面内流动，如所标的箭头所示。这些电子穿过导电催化剂层和其它可能接触催化剂层的导电性电池单元。在阳极侧电子从接触氢气的阳极部分向接触空气的阳极部分运动；而在阴极侧它们向相反方向运动。
从接触氢气的阳极部分向接触空气的阳极部分运动的电子流导致电子导体电位发生微小的变化。另一方面，膜中的电解质是相对较差的平面内质子导体，而质子的流动导致区域H2和区域3之间的电解质电位非常显著地降低。
据估计区域H2和区域3之间电解质电位的降低与约为0.9-1.0伏特的典型电池开路电压相似。电位的降低导致质子流从阴极侧，区域2，经PEM，M，到阳极侧，区域3，这与正常电池操作条件下的方向正好相反。还据估计接触空气的阳极部分(区域3中)的电解质电位的降低导致区域2的阴极电位大约为1.5到1.8伏特，而正常的阴极电位是0.9到1.0伏特。(注意：这些电位是相对于同样操作条件下的氢电位而言的)。这些升高的阴极电位引起碳载体材料和阴极催化剂的快速腐蚀，导致电池性能显著衰减。
本发明的目的之一是将燃料电池关闭期间发生的任何燃料电池催化剂和催化剂载体的腐蚀减至最小程度，并且不需要在关闭时用惰性气体吹扫电池中的空气就可达到此目的。
根据本发明的一种实施方式，一种关闭程序包括以下步骤：断开电池的主要负载；暂停燃料向阳极的流动和空气向阴极的流动；然后在压力下鼓入空气，使空气进入并通过整个阳极流场，迅速排出阳极流场中剩余的所有氢气。长时间下降低的氢气压力会慢慢吸入空气，此过程可能持续30到60秒甚至更长，与此相比，迅速地排出氢气减少了铂和碳腐蚀发生的时间。尽管依赖于电池材料、所需的电池使用寿命长短、以及此寿命期间可能发生的关闭和启动的次数，但是我们相信在不需要惰性气体吹扫的情况下，氢气/空气锋面需要在至多约1.0秒的时间内通过阳极才能满足电池使用寿命过程中的性能需要。优选地吹扫空气的流速将使H2/空气锋面(以及由此全部氢气)在少于0.2秒时间内通过和移出阳极流场。对于频繁启动和关闭的长使用寿命应用例如汽车应用来说，最优选0.05秒或更少的吹扫时间。
在本发明的优选实施方式中，在断开主要负载并且切断燃料和氧化剂向电池的流动后，就在向阳极流场鼓入空气之前，将一个小的辅助电阻性负载与电池连通一段时间。吹扫步骤前辅助负载的应用通过正常电化学反应的发生消耗了阳极流场中的氢气。然后，当向阳极流场鼓入空气的步骤开始时，阴极电位将已经显著降低，并且因此，空气吹扫期间的催化剂和催化剂载体的腐蚀速率将被降低。注意，此实施方式中，辅助负载可以在空气吹扫开始前断开，也可以在空气吹扫过程中继续接通一段时间，或在整个吹扫过程中都保持接通。
在前述优选实施方式中，在停止燃料和氧化剂向电池的流动之后接通辅助负载。这通过消耗阴极流场中全部剩余氧气以及阳极流场中绝大部分的剩余氢气来降低阴极电位。
另一种选择是，辅助负载是在氧化剂的输送已经停止，但燃料的输送还未停止时接通的。燃料的输送在空气吹扫开始前任何时间停止。辅助负载保持连接状态直到阴极的剩余氧气已经被消耗完。燃料的输送在空气吹扫开始前任何时间断开。优选以及备选实施方式都在空气吹扫之前降低了阴极电位。但是优选实施方式确保最大限度降低阴极电位。
下列本申请人共有的美国-非临时专利申请说明和主张了与本申请的主题有关的发明：USSN 09/742,481，“使用空气吹扫启动燃料电池系统的程序”(″Procedure for Starting Up a Fuel Cell System Usinga Fuel Purge″)，发明人Carl Reiser，RiChard Sawyer，和DeliangYang；2001年1月25日提交的USSN 09/770,042，“关闭具有阳极废气循环回路的燃料电池系统的程序”(″Procedure for Shutting Downa Fuel Cell System Having an Anode Exhaust Recycle Loop″)，发明人Carl Reiser，Leslie Van Dine，Glenn Scheffler，和MargaretSteinbugler；以及2002年7月3日提交的USNN 10/189,696，“启动具有阳极废气循环回路的燃料电池系统的程序”(″Procedure forStarting Up a Fuel Cell System Having an Anode Exhaust Recycle Loop″)，发明人Carl Reiser，Leslie Van Dine，Richard Sawyer，DeliangYang，和Margaret Steinbugler。
附图说明
图1是可按照本发明的关闭程序操作的燃料电池系统的示意图；
图2是用来解释启动和关闭过程中可能引起电池性能下降的机制的燃料电池横截面的示意图；和
图3是显示启动/停用循环的次数对使用多种启动/停用程序，包括现有技术的程序和本发明的程序，的燃料电池性能影响的曲线图。
具体实施方式
图1示出了燃料电池系统100。该系统包括含有一个阳极104，一个阴极106，和一个设置在阳极和阴极之间的电解质层108的燃料电池102。该阳极包括阳极基底110，所述基底在正对电解质层108的基底一侧上具有设置在其上的阳极催化剂层112。该阴极包括阴极基底114，所述基底在正对电解质层108的基底一侧上具有设置在其上的阴极催化剂层116。该电池还包括一与阳极基底110相邻的阳极流场板118，以及一与阴极基底114相邻的阴极流场板120。
阴极流场板120具有多条横穿其上延伸的、与阴极基底相邻的通道122，形成从入口124传送氧化剂，优选空气通过阴极到达出口126的阴极流场。阳极流场板118具有多条横穿其上延伸的、与阳极基底相邻的通道128，形成从入口130传送含氢燃料通过阳极到达出口132的阳极流场。每个电池还包括一与阴极流场板120相邻以散去电池热量的冷却器131，例如利用水泵134通过回路132循环经过冷却器131，用来散热的散热器136，以及流量控制阀或者孔138的水。
虽然图中仅示出了一个电池120，实际上一个燃料电池系统可以包含多个相邻的(也就是一堆电池)以串联方式电连接的电池，每个电池都有将一个电池的阴极流场板与相邻电池的阳极流场板分开的冷却器。如需要图1所示的燃料电池更为详细的信息，读者可以参考本申请人共有的美国专利5,503,944和4,115,627,这两个专利在此都引入作为参考。专利′944描述了一种固体聚合物电解质燃料电池，其中的电解质层是质子交换膜(PEM)。专利′627描述了一种磷酸电解质燃料电池，其中的电解质是一种保留在多孔碳化硅基体层中的液体。
正常操作
再次参照图1，燃料电池系统包括一承压新鲜含氢燃料的供给源140，一空气供给源142，一鼓风机144，一主要用电装置或者主要负载146，一辅助负载148，一阳极废气循环回路150，以及一循环回路鼓风机152。(″新鲜″含氢燃料是指没有被引入燃料电池的燃料，与已在电池内部部分消耗并且通过电池再循环的燃料相对)。在正常燃料电池运行过程中，当电池向主要负载146供电时，主要负载的开关154是关闭的(如图中所示是打开的)，且辅助负载开关156是打开的。鼓风机144，阳极废气循环鼓风机152和冷却剂泵134都打开，且在循环鼓风机152下游的从燃料供给源140向阳极循环回路150供给燃料的导管中的阀166打开，循环回路150中的阀170以及阳极排气导管174中的阳极废气排气阀172也打开。导管160中的空气进口进气阀158打开。从空气源142到循环鼓风机152上游的循环回路中一点的导管164的供气阀162关闭。
这样，在正常运行过程中，来自供给源142的空气连续地通过导管160输送至阴极流场入口124，再通过导管176离开电池出口126。来自承压供给源140的新鲜含氢燃料被连续地通过导管168输送至阳极流场，导管168引导燃料进入循环回路150。含有消耗的燃料的部分阳极废气经由导管174通过排气阀172离开阳极流场，而循环鼓风机152通过现有技术中公知的方式通过循环回路再循环剩下的阳极废气通过阳极流场。循环流有助于保持从阳极流场入口130到出口132相对均匀的气体组成，同时向电池返回一些水蒸汽以防止燃料入口附近的电池过于干燥。在正常电池运行过程中燃料中的氢气以一种公知的方式进行电化学反应，生成质子(氢离子)和电子。电子通过外电路178从阳极104流动至阴极106，向负载146供电，而质子通过电解质108从阳极104流至阴极106。
关闭程序
根据本发明的一种典型实施方式，为了避免电池催化剂和催化剂载体腐蚀引起显著电池性能衰减，可以采用以下程序关闭电池：打开开关154，从外电路断开主要负载。关闭阀门166以停止燃料向阳极流场的流动。优选关闭空气进口进气阀158以及阳极排气阀。(如果需要可以让阀门158打开，允许空气流过阴极)。循环流量阀170可以继续打开，循环鼓风机152可以继续开着以继续再循环阳极废气通过电池。这可以防止在阳极上燃料局部不足。然后关闭开关156，从而将外电路178中的较小的辅助电阻性负载148与电池连通。关闭开关156后，普通的电池电化学反应继续进行，使阳极流场的氢气浓度降低。
阀门162(或者如下文描述的另一实施方式中虚线所示，可以作为进入循环回路150的环境空气的供给源的其它阀门，例如导管182中的阀门180)可以在辅助负载应用期间部分打开，并防止阳极室中的压力降低到低于环境压力，并且防止任何空气泄漏进入阳极流场。空气中的氧气还通过与阳极催化剂上的氢气反应而加快氢气的消耗。
优选设定辅助负载148的尺寸以在大约15秒到一分钟内将电池电压从大约每一电池大约0.90-1.0伏特的开路电压降低至大约每一电池大约0.20伏特。为达到这个目的所需的负载尺寸取决于电池设计的规格，例如电池的数量，电池的尺寸，阳极流场和各种燃料歧管等中的氢气的最大容量。注意在空气阀158打开的情况下，电池电压第一次0.10伏特的电压降(例如从0.95伏特的初始电压降至0.85伏特电压)减少超过两个数量级的阳极侧氢气的量(也就是说从100％的氢气降低到低于1％的氢气)。因此，即使辅助负载只减少了0.1伏特的电池电压，这对关闭过程也是十分有益的。在空气吹扫开始前连通辅助负载产生的低水平电流期间，没有氢气/空气锋面横穿过电池；并且，作为连通辅助负载的结果，被认为在关闭期间引起电池性能衰减的″逆向电流″的大小在空气吹扫步骤中将更低。
众所周知，当电压超过由二极管自身设计确定的特征值时，二极管允许电流通过其中。因此，可以选择二极管来传送电流，只要通过二极管的电压达到例如每个电池0.2伏特或者更高。这样的二极管可以插入辅助负载148和开关156之间，并且与辅助负载148和开关156串联。随着开关156关闭(以及开关154打开)，电流的流动只有在电池电压下降到每个电池0.2伏特时才开始。由此二极管防止了电池堆中的任何一个出现所不希望的负电压。
一旦电池电压已经减少了预定的值(优选至少0.1伏特，最优选每个电池的电压为0.2伏特或更少，但对于任何一个电池来说不得低于0.0伏特)，可以打开开关156或者在全部或部分剩下的关闭程序期间，仍然关闭开关156。关闭再循环阀170以防止阳极废气进一步再循环。打开阳极废气排气阀，然后打开空气流量阀162以允许来自供给源142的空气进入紧邻阀门170下游以及刚好在循环鼓风机152上游的循环回路。鼓风机152直接将这些空气吹入并通过阳极流场的通道128，迅速排出其中剩余的任何燃料。被后面的空气排出的那些燃料通过排气阀172离开电池。现在阳极流场完全由空气充满，可以切断鼓风机152。
虽然在上述实施方式中，辅助负载被用于在用空气排出氢气的步骤开始之前降低电池电压，但是对于一些应用来说，如果空气吹扫速度足够快和/或电池使用寿命期间开/关循环的次数足够少，不用施加辅助负载的步骤也可以避免由关闭程序引起的不可接受的性能衰减。在这种应用的情况下，可以一断开主要负载就启动空气吹扫。
刚刚描述的燃料电池系统中，使用了循环鼓风机152鼓入吹洗空气通过阳极流场以排出其中的氢气。如果燃料电池系统没有循环回路150，通过将导管160延伸出的导管180(以虚线示出)直接连接进入阳极流场入口，鼓风机144还能在关闭程序过程中执行循环鼓风机152的吹扫功能。打开开关156和排气阀172后，打开导管180上的阀门182。然后鼓风机144鼓入来自供给源142的吹洗空气，吹洗空气通过导管180，直接进入燃料进口130，以产生一扫过阳极流场的空气锋面(由于氢气在一侧，空气在另一侧，因此此处通常称为″氢气/空气″锋面)。(注意正如其它实施方式中，在吹扫前仍然可以将辅助负载148与电池连通，这样可用电化学方法消耗一部分，优选大部分存留在阳极流场中的氢气)。
在一些燃料电池系统中，阳极和阴极流场板和冷却器板，例如板118，122和131等是多孔的，既可以输送气体到电池阳极和阴极，也可以将水运离电池。在那些系统中，冷却剂回路泵，例如泵134，应该在本发明的关闭程序期间保持开启。这可以防止反应物通道被从致冷剂通道中排出的致冷剂堵塞。堵塞的反应物通道可能阻止反应性气体顺利到达阳极和阴极催化剂部分，从而使本发明的关闭程序(以及下文所述的类似的启动程序)失效。一旦电池中不再有氢气，可以关闭致冷剂回路泵。
启动程序
现在假设根据本发明的程序已关闭电池，且电池的阳极和阴极流场中只有空气。为了再次启动燃料电池系统100，如果致冷剂回路阀门138关闭，将其打开。开关156继续打开，因为启动期间不使用辅助负载。空气流量阀158优选打开，但也可以关闭；接通鼓风机144和泵134。打开阳极废气排气阀172，关闭导管中的空气流量阀。关闭循环流量阀170和循环鼓风机。打开燃料流量阀166，从而允许来自供给源140的加压氢气流进入阳极流场。氢气流将空气排出阳极流场。当基本上全部空气已经被从阳极流场中排出时，关闭开关154以将主要负载与电池102连通。(如果空气流量阀是关闭的，在关闭开关154之前打开它。)现在可以正常运行电池了。
关闭期间，如果尽可能快地用空气排出阳极流场中的燃料，可以得到最好的结果。类似地，启动期间优选尽可能快地用燃料排出阳极流场中的空气。在任何一种情况下排出过程应该在少于约1.0秒时间内发生，优选少于0.2秒。对于高启动－停用循环次数的长使用寿命应用，例如汽车应用来说，最优选在少于0.05秒时间内在关闭时将阳极流场中的燃料吹扫出来，在启动时将阳极流场中的空气吹扫出来。可以很容易地选择需要的用来使气体移动通过系统的鼓风机和其它器件以使氢气/空气锋面移动通过电池，并由此将不需要的气体吹扫出电池的速度。
与通过简单地打开和关闭燃料供应，而没有使用吹扫或者其它性能衰减限制干预(也就是说不受控制的启动/停用)来关闭和启动燃料电池系统相比，关闭时快速将阳极流场中的燃料用空气吹扫出，以及启动时快速将阳极流场中的空气用氢气吹扫出，通过减小由于反复关闭和启动造成的累积电池性能损失，显著地提高了电池寿命。这在图3的曲线中示出。图3中，纵轴是平均电池性能损失，单位为伏特；水平轴是电池启动次数。曲线J，K和L表示20或56个电池的PEM电池堆的实际测试的数据。电池堆中的电池每一个包括膜电极组件，其包括15微米厚的在阳极侧具有铂催化剂和在阴极侧具有铂催化剂的全氟磺酸离聚物薄膜。阳极催化剂的担载量为0.1mg/cm2，阴极催化剂的担载量为0.4mg/cm2。组件购自W.L.Gore Company of Elkton，Maryland，商品名为PRIMEA 5560。
曲线J表示″未受控″启动/停用循环。由曲线示出的超过250次左右的循环过程可知，启动程序将开始以变化的″未受控″速率向充满空气的阳极流场中注入氢气流。典型的速率是一种足以在10.0秒内产生完全阳极流场体积变化的速率；然而，一些循环的启动流速可以快至2.0秒和慢至28秒。关闭程序简单地包括关闭燃料供应，通过让氢气和空气通过电解质薄膜而让燃料散逸。
曲线K表示受控启动/停用程序，其中关闭程序根据本发明所述。启动时，阳极流场充满空气，氢气流以一种足以在0.40秒内产生完全阳极流场体积变化的速度开始注入。关闭程序，从阳极流场充满氢气开始，以一种足以在0.40秒内产生完全阳极流场体积变化的速度将氢气用空气流排出。
除在将氢气引入阳极流场前，用氮气代替氢气在启动时从阳极流场吹扫空气，以及在将空气引入阳极流场前，在关闭时用氮气代替氢气外，曲线L表示与生成曲线K的程序类似的受控启动/停用程序。两种情况下氮气流速都足以在0.40秒内产生完全阳极流场体积变化。因此曲线L表示本说明书的背景技术部分讨论的现有技术中的氮气吹扫程序。(注意在由曲线J，K和L表示的关闭程序期间，辅助负载开关156在启动程序中是打开的)。
参照图3，从曲线J可以看出，大约250次″未受控″循环之后，平均电池性能损失约为0.195伏特。与此相比，曲线K所示的，使用本发明的关闭程序以及类似的启动程序，300次循环后，平均电池性能损失只有0.055伏特。也就是说，少于″未受控″250次循环电压损失的30％，但循环次数多了20％。另一方面，现有技术的氮气吹洗技术在大约1500次循环后只有0.04伏特损失。
通过解释可知，当使用氮气作为吹扫气体时，氮气流中通常存在少量氧气，这是氮气生产工艺和/或氧气从阴极流场透过PEM薄膜到达另一边的结果。这样就解释了为什么即使使用氮气，随着时间也有少量性能衰减的原因。如果提高氮气吹扫流速率，这些损失量也将减少。在使用由曲线K表示的程序时导致的损失也是如此。因此，如果提高由曲线K表示的吹扫速率，曲线K和L之间的差异将减小。据估计，如果曲线K的吹扫速率增加到在0.05秒或者更少时间内就能产生完全阳极流场体积变化，曲线K将非常接近于曲线L或者与曲线L只有非常微小的差异。在那种情况下，本发明将获得氮气吹洗方法的所有益处，而不需要使用氮气时所需要的复杂性、费用和额外的设备容量。

Claims (32)

1.一种关闭运行中的燃料电池系统的程序，其中在燃料电池系统运行期间，通过在电解质一侧的阴极流场从氧化剂供给源输送连续空气流至燃料电池阴极，而通过在电解质另一侧的阳极流场从燃料供给源输送连续新鲜含氢燃料流至燃料电池阳极，且该燃料电池在外电路中产生电流，并且该电流运行外电路中的主要用电设备，该程序包括以下步骤：
(A)从外电路断开主要用电设备，停止燃料供给源输送至阳极流场的新鲜燃料流；且，然后
(B)在排出阳极流场废气的时候通过向阳极流场鼓入空气，使空气进入并且通过阳极流场，用空气排出阳极流场中剩余的燃料；
其中在整个步骤(A)和(B)期间，阳极流场中的任何反应性气体都能轻易地到达阳极催化剂，并且阴极流场中的任何反应性气体能够轻易地到达阴极催化剂。
2.根据权利要求1所述的关闭程序，其中在从外电路断开主要用电设备之后以及步骤(B)之前，停止空气流向阴极流场的流动，在阳极和阴极之间的外电路中连通辅助电阻性负载一段时间来消耗阴极流场中的剩余氧气。
3.根据权利要求2所述的关闭程序，其中连通辅助负载直至每个电池的电压降低至大约0.2伏特或者更低。
4.根据权利要求3所述的关闭程序，其中在阳极和阴极之间连通辅助负载后停止新鲜燃料流的输送。
5.根据权利要求2所述的关闭程序，其中连通辅助负载直至步骤(B)之前电池电压降低了0.1伏特或者更多。
6.根据权利要求2所述的关闭程序，其中选择连通的辅助负载的大小以在少于1.0分钟时间内将每个电池的电压降低至大约0.2伏特或者更低。
7.根据权利要求2所述的关闭程序，其中在步骤B期间保持辅助负载连通。
8.根据权利要求1所述的关闭程序，其中排出燃料的步骤包括在少于1.0秒时间内使空气锋面移动通过阳极流场。
9.根据权利要求8所述的关闭程序，其中该空气锋面在少于0.2秒时间内移动通过阳极流场。
10.根据权利要求8所述的关闭程序，其中该空气锋面在少于0.05秒时间内移动通过阳极流场。
11.根据权利要求8所述的关闭程序，其中在所述空气锋面移动通过阳极流场期间停止空气流向阴极流场的输送。
12.根据权利要求2所述的关闭程序，其中排出燃料的步骤包括在少于1.0秒时间内使空气锋面移动通过阳极流场。
13.根据权利要求12所述的关闭程序，其中该空气锋面在少于0.2秒时间内移动通过阳极流场。
14.根据权利要求12所述的关闭程序，其中该空气锋面在少于0.05秒时间内移动通过阳极流场。
15.根据权利要求1所述的关闭程序，其中在负载下正常燃料电池运行期间，循环回路中的循环鼓风机再循环至少一部分阳极流场废气通过阳极流场；并且在步骤(B)中不需再循环阳极废气就用循环鼓风机向阳极流场鼓入空气，使空气进入并且通过阳极流场。
16.根据权利要求15所述的关闭程序，其中在步骤(A)之后和步骤(B)之前，在阳极和阴极之间的外电路中连通辅助电阻性负载。
17.根据权利要求16所述的关闭程序，其中排出燃料的步骤包括在少于1.0秒时间内使空气锋面移动通过阳极流场。
18.根据权利要求17所述的关闭程序，其中排出燃料的步骤包括在少于0.2秒时间内使空气锋面移动通过阳极流场。
19.根据权利要求18所述的关闭程序，其中排出燃料的步骤包括在少于0.05秒时间内使空气锋面移动通过阳极流场。
20.根据权利要求19所述的关闭程序，其中连通辅助负载直至电池电压降低至大约0.2伏特或者更低。
21.根据权利要求17所述的关闭程序，其中连通辅助负载直至在步骤(B)之前电池电压降低了至少0.1伏特。
22.根据权利要求20所述的关闭程序，其中至少在部分步骤(B)期间保持辅助负载连通。
23.根据权利要求22所述的关闭程序，其中至少在部分步骤(B)期间保持辅助负载连通。
24.根据权利要求20所述的关闭程序，其中在步骤B期间保持辅助负载连通直至排出全部燃料。
25.一种关闭运行中的燃料电池系统的程序，其中在燃料电池系统运行期间，通过在电解质一侧的阴极流场从氧化剂供给源输送连续空气流至燃料电池阴极，而通过在电解质另一侧的阳极流场从燃料供给源输送连续新鲜含氢燃料流至燃料电池阳极，且该燃料电池在外电路中产生电流，并且该电流运行外电路中的主要用电设备，该程序包括以下步骤：
(A)从外电路断开主要用电设备，停止输送至阴极流场的空气流；然后
(B)在阳极和阴极之间的外电路中连通辅助电阻性负载一段时间；然后
(C)在排出阳极流场废气的时候通过向阳极流场鼓入空气，使空气进入并且通过阳极流场，用空气排出阳极流场中剩余的燃料；以及
(D)在步骤(C)之前，停止向阳极流场的新鲜含氢燃料流的输送。
26.根据权利要求25所述的关闭程序，其中在步骤(B)之前停止向阳极流场的新鲜含氢燃料流的输送。
27.根据权利要求25所述的关闭程序，其中辅助电阻性负载保持连通直至每个电池的电压达到0.2伏特或者更低。
28.根据权利要求27所述的关闭程序，其中步骤(C)中在少于1.0分钟时间内排出剩余燃料。
29.根据权利要求27所述的关闭程序，其中在辅助电阻性负载与电池连通期间，只有当每个电池的电压大于0.2伏特时，与辅助负载串联的二极管才允许电流通过该辅助负载。
30.根据权利要求2所述的关闭程序，其中燃料电池系统中的燃料电池是质子交换膜燃料电池。
31.根据权利要求25所述的关闭程序，其中燃料电池系统中的燃料电池是质子交换膜燃料电池。
32.根据权利要求27所述的关闭程序，其中燃料电池系统中的燃料电池是质子交换膜电池。
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