CN1853304A - 燃料电池中的电极被动覆盖 - Google Patents

Abstract

当关闭常规燃料电池模块时，燃料电池堆内的条件改变。条件改变是因为支持和调节燃料电池堆运行的元件切换到它们对应的关闭状态。例如，闭合输入和输出阀，就切断了供应流入和废气流出。而且，当例如流量控制装置这样的元件切换到关闭状态时，诸如阳极内部压力这样的内部条件就会改变。当燃料电池堆的内部条件变化时，燃料电池堆和供料管道(在燃料电池堆和闭合阀之间)中残留的反应物(例如，氢和氧)基本由燃烧反应消耗，而不是以产生有用形式能量的电化学反应消耗。

Description

燃料电池中的电极被动覆盖

优先权要求

本申请要求美国临时申请第60/482010号(2003年6月25日提交的)的权益和美国临时申请第60/495091号(2003年8月15日提交的)的权益。因此，在此将这两份美国临时申请第60/482010号和第60/495091号的全部内容通过引用纳入本申请。

发明领域

本申请涉及燃料电池，更具体而言，涉及降低燃料电池的一些组件在关闭和重启动阶段发生的损耗和老化的速率。

发明背景

燃料电池将存储在燃料中的化学能转变为有用形式的能量，例如电。燃料电池的一种具体类型的一个实例就是可用于产生电的质子交换膜(PEM)燃料电池。

典型的PEM燃料电池包括置于阳极和阴极之间的电解质膜。向阳极供应氢燃料，并向阴极供应氧化剂。在PEM燃料电池中，氢燃料和氧化剂在一组产生电、热和水的互补电化学反应(complementaryelectrochemical reaction)中充当反应物。

许多因素使得其它不期望的反应发生，提高了PEM燃料电池中一些组件的损耗和老化的速率。例如，已知的是，残留在PEM燃料电池内部的少量氢燃料和氧化剂在关闭这些反应物的各自供料之后，会在关闭和重启动过程中燃烧。PEM燃料电池内的燃烧引起包括电解质膜和沉积在电极上的催化剂层的多种组件变质。多种组件的累积变质显著降低了PEM燃料电池的效率，并会导致PEM燃料电池的失效。

更具体而言，因为当可操作的支持系统在PEM燃料电池模块的正常运行(即“开”状态)期间切换到“关”状态，PEM燃料电池模块内的条件开始改变，所以发生氢和氧的燃烧而不是电化学消耗。由于内部条件改变，一些氢分子扩散到膜的阴极一侧并在氧气存在时燃烧。相似地，一些氧分子扩散通过膜并与膜的阳极一侧的氢燃料反应。由于氢分子比氧分子小，并因此更容易扩散通过膜，所以实际上氢通过膜的扩散更常见(无跨膜驱动压差时)。

另一个可能发生的不期望的反应是PEM燃料电池中至少一层催化剂层的电化学腐蚀。这进一步降低PEM燃料电池的性能。

发明内容

根据本发明的实施方案的一个方面，提供一种燃料电池模块，其具有：包括至少一个燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池都包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质介质，其中，在正常运行中，向阳极提供第一反应物，并且向阴极提供包含第二反应物和不反应介质的第一混合物；可连接于阳极和阴极之间的寄生负载；以及反应物储存器，其可连接到阳极，用于存储在燃料电池模块的关闭过程中使用的适量第一反应物，由此，在使用中，当燃料电池模块关闭时，存储量的第一反应物从反应物储存器被引出，并与残留在燃料电池模块中一定量的第二反应物进行电化学反应，以电化学消耗所有量的第一和第二反应物，从而使第二混合物基本只包含不反应介质。

在一些实施方案中，反应物储存器的大小适于使得反应物储存器中储存接近化学计量的第一反应物，以在关闭过程中电化学地消耗燃料电池模块中残留的第二反应物量，以便阻止其它不期望的反应发生，并随着第一和第二反应物的残留量被电化学消耗而使得燃料电池模块内的相应压力下降。

在一些实施方案中，反应物储存器的大小适于使得反应物储存器中存储的第一反应物量在关闭过程中不足以电化学消耗燃料电池模块中残留的第二反应物的全部量，以便阻止其它不期望的反应发生，并且上述反应物储存器在关闭过程中可重新充满，使得几乎所有的第二反应物残留量都可以被在关闭过程中添加到反应物储存器的第一反应物的补充量电化学消耗。

根据本发明的另一实施方案的各个方面，提供一种燃料电池模块，其具有：燃料电池，其包括第一电极、第二电极以及置于第一电极和第二电极之间的电解质介质，其中，在正常运行中，向第一电极提供第一反应物，并且向第二电极提供包括第二反应物和不反应介质的第一混合物；寄生负载，其可连接于第一和第二电极之间；以及反应物储存器，其可连接到第一电极，用于存储在燃料电池模块的关闭过程中使用的适量第一反应物，由此，在使用中，当燃料电池模块关闭时，储存量的第一反应物从反应物储存器被引出，并与残留在燃料电池模块中一定量的第二反应物进行电化学反应，以电化学消耗所有量的第一和第二反应物，从而使第二混合物基本只包含不反应介质。

根据本发明的另一实施方案的各个方面，提供一种用于关闭燃料电池的方法，该燃料电池包括第一电极、第二电极以及置于第一电极和第二电极之间的电解质介质，其中，在正常运行中，向第一电极提供第一反应物，并且向第二电极提供包括第二反应物和不反应介质的第一混合物，该方法包括：停止进入第一电极的反应物的流入；切断支持辅助设施(supporting balcance of plant)元件的动力；通过可连接于第一和第二电极的寄生负载引出电流；提供预存的、接近化学计量的第一反应物，用于电化学消耗第二反应物的残留量；并且允许进入第二电极的一定量的第一混合物延迟流入第二电极；其中，接近化学计量的第一反应物与第二反应物的残留量进行电化学反应，从而使第二混合物基本只包含不反应介质。

在参考下列本发明具体实施方案的说明后，本发明的其它方面和特征对于本领域内的普通技术人员将变得显然。

附图说明

为了更好地理解本发明、更清楚地显示其如何实现，现在通过实例的方式参考附图，这些附图示出了本发明的实施方案的各个方面，其中：

图1是燃料电池模块的简化示意图；

图2是示出根据本发明一实施方案各个方面的燃料电池模块的第一排布方式的示意图；

图3是示出图2所显示的燃料电池模块在关闭过程的顺序阶段中阴极中存在的气体组分的图表；

图4是示出根据本发明另一实施方案各个方面的燃料电池模块的第二排布方式的示意图；

图5是示出根据本发明另一实施方案各个方面的燃料电池模块的第三排布方式的示意图；并且

图6是示出根据本发明另一实施方案各个方面的燃料电池模块的第四排布方式的示意图；

具体实施方式

燃料电池模块一般由许多燃料电池串连联接构成以形成燃料电池堆。燃料电池模块还包括相关的结构元件、机械系统、硬件、固件和软件的适当结合，用于支持燃料电池模块的功能和操作。这样的项目包括，但不限于管道、传感器、调节器、集电器、密封件和绝缘体。

参考图1，所示的是质子交换膜(PEM)燃料电池模块的简化示意图，下文简称为燃料电池模块100，在此对其进行描述是为了示出燃料电池模块运行相关的一些通常需要考虑之处。需要理解的是，本发明可应用于多种构造的燃料电池模块，所述燃料电池模块每个都包括一个或多个燃料电池。

现有许多不同的燃料电池技术，总的来说，本发明可期应用于所有类型的燃料电池。本发明非常具体的示例实施方案已经开发用于质子交换膜(PEM)燃料电池。其它类型的燃料电池包括、但不限于碱性燃料电池(AFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)和再生式燃料电池(RFC)。

在此参照以氢作为燃料并以空气作为氧化剂源的PEM燃料电池模块描述本发明的一些示例实施方案的各个方面。本领域内的普通技术人员可以理解的是，空气含约80％的氮(N₂)和20％的氧(O₂)，因此其适于作为氧化剂源。而且，这些百分比大致忽略了大气中其它气体(例如CO₂、CO、SO₂、PbS等)的存在。

燃料电池模块100包括阳极21和阴极41。阳极21包括气体入口22和气体出口24。相似地，阴极41包括气体入口42和气体出口44。电解质膜30置于阳极21和阴极41之间。

燃料电池模块100还包括在阳极21和电解质膜30之间的第一催化剂层23，以及在阴极41和电解质膜30之间的第二催化剂层43。在一些实施方案中，第一和第二催化剂层23、43分别沉积在阳极和阴极21、41上。

在阳极21和阴极41之间连接有负载115。

运行中，在某些预定条件下，将氢燃料通过气体入口22引入阳极21。所述预定条件的实例包括、但不限于例如流速、温度、压力、相对湿度和氢与其它气体的混合物这样的因素。存在电解质膜30和第一催化剂层23时，氢根据下面给出的反应(1)进行电化学反应。

(1)

反应(1)的化学产物是氢离子(即，阳离子)和电子。氢离子通过电解质膜30到达阴极41，而电子被吸引通过负载115。过量氢(有时和其它气体和/或流体结合在一起)通过气体出口24引出。

同时，在某些预定条件下，氧化剂，例如空气中的氧通过气体入口42引入阴极41。该预定条件的实例包括、但不限于例如流速、温度、压力、相对湿度和氧化剂与其它气体的混合物这样的因素。过量气体，包括未反应的氧化剂和产生的水，通过气体出口44引出阴极41。

存在电解质膜30和第二催化剂层43时，氧化剂根据下面给出的反应(2)进行电化学反应。

(2)

反应(2)的化学产物是水。由阳极21中反应(1)产生的电子和离子化的氢原子在阴极41中被反应(2)电化学消耗。电化学反应(1)和(2)互补，并表明每电化学消耗一个氧分子(O₂)都要电化学消耗两个氢分子(H₂)。

在许多情况下，持续向燃料电池模块(例如图1中示出的燃料电池模块100)供应氢燃料和氧化剂以进行电化学反应(1)和(2)是很浪费并且没有必要的，例如存在波动式或间歇式负载的情况下。然而，在某些情况下关闭燃料电池模块会启动一种或几种不期望的反应，所述反应会使燃料电池模块的一些组件老化。因此，期望可以可靠地切断(即关闭)和重启动燃料电池模块，而不引起燃料电池模块的一些组件发生过多的老化。在本发明的一些实施方案中，提供燃料电池模块的改型，其在关闭和重启动阶段中可降低燃料电池的一些组件损耗和老化的速率。在一些实施方案中，该改型还适于被动地降低损耗和老化的速率，而在其它实施方案中，使用积极手段以支持被动地降低损耗和老化的速率。特别是，在本发明的一些实施方案中，损耗和老化的速率通过在关闭过程中减少残留反应物的燃烧量的同时增加所述反应物的电化学消耗来降低。

参考图2，所示的是示出根据本发明实施方案各个方面排布的燃料电池模块300的示意图。本领域内的普通技术人员可以理解的是，燃料电池模块包括支持元件的适当组合，通常称作“辅助设施”，并且燃料电池模块300以只显示对描述本发明的这个实施方案各个方面所必需的那些元件的方式示出。

燃料电池模块300包括由一个或多个PEM燃料电池组成的燃料电池堆200。每个PEM燃料电池(未示出)都包括如图1中示意性示出的、置于阳极和阴极之间的电解质膜。燃料电池堆200具有阴极入口202、阴极出口203、阳极入口204和阳极出口205。阴极入口和出口202、203与包含于燃料电池堆200中的每个相应阴极流体连接。相似地，阳极入口和出口204、205与包含于燃料电池堆200中的每个相应阳极流体连接。

燃料电池堆200还包括电连接18a、b，其中负载(例如电动机)可连接于其间。较小的寄生负载17选择性地连接于燃料电池堆200的电连接18a、b之间。小型寄生负载17有助于在关闭过程中限制电压响应，以下将对其作更详细的描述。

寄生负载17的值与也由燃料电池模块300提供动力的实际负载(例如，电动机)相比优选较小，使得寄生负载17在正常运行中耗散的功率量相比实际负载耗散的功率量较小。在一个非常具体的实施例中，选择寄生负载17使其在正常运行中耗散的功率量少于实际负载耗散的功率量的0.03％。

在一些实施方案中，如图2所示，小型寄生负载17永久性地连接于电连接18a、b之间；因此，在正常操作运行中该小型寄生负载17会耗散功率。在其它实施方案中，放置小型寄生负载17，使其在燃料电池模块300关闭之前或之后立即连接在燃料电池堆200的电连接18a、b之间，并在正常运行中从燃料电池堆200断开。

在一些其它的可替换实施方案中，寄生负载17由燃料电池堆200内部的内阻组成。尤其是，在一些实施方案中，包含于燃料电池堆200中的膜提供足够的内阻，以在关闭过程中充当充足的寄生电阻来限制燃料电池堆200的电压响应。

燃料电池模块300包括输入阀10和12，所述阀可用来控制分别切断反应气体向阴极入口202和阳极入口204的流入。相似地，提供输出阀11和13可用来控制分别切断废气自阴极出口203和阳极出口205的流出。

输入阀10在阴极入口202和鼓风机60之间串连连接。鼓风机60是适于当阀10打开时迫使空气进入阴极入口202的任何装置(例如，电扇(motorized fan)、压缩机等)。可选地，当切断鼓风机60的动力后，鼓风机60还可用来被动地阻止、但不必停止进入阴极入口202的空气的自由流动。下面将参考图3、4和6对其进行更详细地描述。

输入阀12在燃料供应口107和阳极入口204之间串连连接。燃料供应口107还可连接至氢燃料供应容器(未示出)或一些其它氢燃料输送系统(未示出)。燃料储存器19和流量控制装置14在输入阀12和阳极入口204之间分别串连连接。

输出阀11在阴极出口203和第一废气口108之间串连连接。相似地，输出阀13在阳极出口205和第二废气口109之间串连连接。每个废气口108和109都选择性地连接至其它装置，例如包括用于再循环来自燃料电池模块300的废气或废液的电解器的废气系统。

止回阀15在通向周围环境(未显示)的空气供应口106和阴极入口202之间连接，以使止回阀15与输入阀10平行。在一些实施方案中，止回阀15为压力敏感机构(pressure sensitive mechanism)，当阴极入口202处的压力与周围环境的大气压力相比降低了预定量时，该压力敏感机构打开，所述预定量称为开启压力。在一些实施方案中，开启压力被具体设为与周围环境中的空气压力和阴极入口202内部压力之间的预定压差相应。在相关的实施方案中，该预定压差与燃料电池堆200中的阴极内气体混合物的总体积相应，特别是与阴极中的氧气相对其它气体的量相应，例如空气中的氮。以下将参考图3对其做进一步详细地描述。

提供储氢器19以存储在燃料电池模块300的关闭过程中使用的固定量的氢，以下将参照图3对该燃料电池模块300的关闭过程做进一步详细地描述。在一些实施方案中，储氢器19是大小适于存储足量氢燃料的容器，以在关闭阀10、11、12和13并终止空气自鼓风机60受迫流入时，基本上电化学消耗掉残留在燃料电池模块300中的氧气。在其它实施方案中，储氢器19由预定长度的软管或管道(可以是盘绕的)组成，以用于存储相同用途的足量氢。或者，在其它实施方案中，储氢器19比需求的小，但当关闭过程中需要时，可以再充满储氢器19中的氢燃料量，以便提供足量氢来基本上电化学消耗掉残留氧。而且，本领域内的普通技术人员可以理解的是，在设计氢气(反应物)储存器的大小时，要考虑关闭之后残留在燃料电池堆中的氢气(或所涉及的反应物)量。

提供所述流量控制装置14以调节向阳极入口204输送的氢燃料供应，通过例如设定向阳极入口204输送的氢燃料的压力的方式。在一些实施方案中，流量控制装置14具体为一前进压力调节器(forwardpressure regulator)，其为使用空气压力和偏压弹簧加载的拱顶加载(dome loaded)压力调节器。该前进压力调节器将阳极入口204处的压力设定为相对阴极入口202处的压力相差一定量。在一个非常具体的实施例中，阳极入口204处的压力被调节至比阴极入口202处的压力高预定的固定量。在一些实施方案中，流量控制装置需要动力供应用于运行，而在其它实施方案中，流量控制装置为被动元件(passive element)，例如被动前进压力调节器(passive forwardpressure regulator)。

燃料电池模块300选择性地包括一台连接阳极出口205和阳极入口204的氢再循环泵16。在燃料电池模块300的正常运行中，氢再循环泵16可将通过阳极出口205排出的未使用的氢的一部分再循环回到阳极入口204。

可用于阀10、11、12和13的阀种类的实例包括、但不限于常闭阀、常开阀和自锁阀。本领域内的普通技术人员可以理解的是，多种其它类型的阀也可适当地使用。

在一些实施方案中，阀10、11、12和13中的一些为常闭阀。只有当控制信号(或一些电动势)持续提供给特定阀时，常闭阀才打开，从而允许气体(或液体)自由流动。也就是说，当动力不提供给特定的常闭阀时，该阀保持闭合，从而防止气体(或液体)自由流经该阀。

在一些实施方案中，阀10、11、12和13中的一些为常开阀。只有当控制信号(或一些电动势)持续提供给特定阀时，常开阀才闭合，从而阻止气体(或液体)的自由流动。也就是说，当动力不提供给特定的常开阀时，该阀保持打开，从而允许气体(或液体)自由流经该阀。

在一些实施方案中，阀10、11、12和13中的一些为自锁阀。自锁阀需要控制信号脉冲以在“打开”和“闭合”位置之间切换。没有控制信号脉冲(或另外的电动脉冲)的情况下，自锁阀保持其原来的位置不变。

在燃料电池模块300正常(即，能量产生或“开”状态)运行过程中，阀10、11、12和13开启，允许气体(和液体)自由流至/流自各个口202、203、204和205。而且，提供动力至鼓风机60、流量控制装置14和氢再循环泵16以调节反应气体向燃料电池堆200的流入。本领域内的普通技术人员可以理解的是，可以相应地向其它支持元件提供动力，并且燃料电池模块300产生的能量从电连接18a、b接入。

用于燃料电池堆200中阴极的氧化物从空气得到，氧气约占空气的20％。鼓风机60迫使空气通过打开的输入阀10进入阴极入口202。一旦进入阴极，空气中的一些氧气就会参加上述电化学反应(2)。

氢燃料通过燃料供应口107经由储氢器19和流量控制装置14进入阳极入口204。由于氢再循环泵16运转可以迫使一部分未使用的氢从阳极出口205排出并返回到阳极入口204，所以其也对输送给阳极入口204的氢燃料供应有贡献。一旦进入阳极，一些氢就会参加上述电化学反应(1)。

来自阴极出口203和阳极出口205的过量废气和废液流经相应的出口阀11和13，并分别经过废气口108、109排出燃料电池模块300。

由于阴极入口203中的压力等于或大于周围环境的空气压力，所以在正常运行过程中，止回阀15保持闭合。

当常规燃料电池模块关闭时，燃料电池堆内部的条件改变。条件改变是因为支持和调节燃料电池堆运行的元件切换到它们各自的关闭状态。例如，输入和输出阀关闭，就切断了供应流入和废气流出。而且，当诸如流量控制装置的元件切换到关闭状态时，诸如阳极内的压力这样的内部条件就会改变。当燃料电池堆的内部条件改变时，残留在燃料电池堆和供料管路(在燃料电池堆和闭合阀之间)中的氢和氧通常在燃烧反应中基本消耗，而不是在上述电化学反应(1)和(2)中消耗。

示于图2中的燃料电池模块300不是常规的燃料电池模块，这是由于该燃料电池模块300的组件的构造适于被动地减少燃料电池堆200内的氢和氧在关闭过程中燃烧的总量。这通过相对在常规燃料电池模块在闭合过程中通常发生的电化学消耗量，被动地引起留在燃料电池模块300内的氢和氧的电化学消耗增加来实现。

特别地，在输入阀12已经闭合之后，储氢器19充当用于燃料电池堆200的足量补充氢燃料源。简而言之，从储氢器流出的补充氢燃料和燃料电池模块300的其它部分的氢燃料一起引起残留在燃料电池堆200内的氧气发生电化学消耗。而且，由于氧源为空气(其大约有80％的氮)，所以燃料电池堆200内的电极被动地被氮覆盖起来。高浓度氮使得燃料电池堆200内发生的燃烧量减小。被动覆盖(passiveblanketing)过程是燃料电池模块300内压力变化的函数，尤其是燃料电池堆200内压力变化的函数。参照图3并继续参照图2，以下对在关闭过程中出现的覆盖过程作详细地描述。

图3显示了在关闭过程的顺序阶段中，图2中所显示的燃料电池堆200的阴极中存在气体混合物的近似且简化的分解图。提供图3只是用于帮助对基本连续且流动的过程的可视化，而绝不是为了限制下面所要求保护的本发明的范围。

当关闭燃料电池模块300时，切断反应气体(氢燃料和空气中携带的氧)的流入，有效地使得燃料电池堆200缺乏继续电化学反应(1)和(2)所需的反应气体。为此，关闭阀10、11、12和13，并切断供应给鼓风机60、流量控制装置14和氢再循环泵16的动力。当关闭燃料电池模块300时，关闭输出阀11和13会减少通过相应出口203和205分别泄漏入阴极和阳极的气体量。

无论寄生负载17是否永久性地连接，它的作用都是在关闭和/或从实际负载断开燃料电池模块300时限制燃料电池堆200的电压(即，堆电压)。如果寄生负载17不是永久性连接，则在关闭过程启动之前或之后寄生负载17应立即连接电连接18a、b。防止燃料电池堆200的输出电压达到高电平有助于限制由高的堆电压引发的电化学腐蚀机制。当关闭过程启动时，寄生负载17的存在进一步引起残留在燃料电池模块300内的氢和氧的电化学消耗。

具体来说，寄生负载17通过提供从燃料电池堆200释放电流和电压的路径来被动地引起残留反应气体的电化学消耗。由于阳极或阴极之一或二者上的反应气体浓度降低，燃料电池堆200组成的燃料电池的电化学势(按电压测量)下降。如果寄生负载17是简单的电阻，随着燃料电池电压下降，则流经电阻的相应电流也下降。燃料电池电压势逐渐下降和静态电阻的电流损耗的相应下降之间的耦合导致燃料电池电压的逐渐下降，而不会造成燃料电池堆内的燃料电池变负的危险，如果发生较大的电流流出而没有充足反应气体供应时，所述危险就会发生。

现在参照图3中的3-1，紧接关闭过程启动后，燃料电池堆200内的阴极包含大约与空气(地球上)组分对应的气体混合物。也就是说，燃料电池堆200中的每个阴极都包含约80％的氮和20％的氧(忽略少许其它气体)的气体混合物。每个阴极内的压力都与周围环境的空气压力(例如，约1atm)大约相同。

随着燃料电池堆内的条件变化(由于以上讨论的原因)，燃料电池堆200的阴极中的氧主要根据电化学反应(1)和(2)被电化学消耗。用来维持电化学反应(1)和(2)所需的氢燃料从储氢器19提供。由于氧被消耗掉，阴极中的气体混合物体积显著下降引起阴极内的内部压力相应下降。图3的3-2处示出的是在氧气基本被消耗之后，阴极内部的气体混合物成分(breakdown)的实例。氮约占阴极中存在气体的98％，阴极内的压力约为0.8atm。

继续参照图2，当燃料电池堆200的阴极内的内部压力下降到周围环境的空气压力之下时，止回阀15打开，此处假设已经超过开启压力。补充空气通过空气供应口106和打开的止回阀15流入燃料电池模块300，使得在阴极中产生新的气体混合物。当阴极内的压力上升到足以闭合止回阀的水平(考虑所使用的止回阀的公差)时，止回阀15闭合，该闭合出现在足量空气进入阴极之后。当使用常规的止回阀时，一旦阴极内的压力已经上升至足以使δ压力低于止回阀开启压力，则弹簧会迫使阀闭合。

假定止回阀保持打开直至阴极的压力大约等于周围环境的压力，新的气体混合物的成分示于图3中的3-3处。新的气体混合物由来自3-1处示出的原气体混合物的80％的氮和20％的新增加空气组成。考虑到空气中有约80％的氮，则图3-3处显示的新气体混合物的等效成分在图3中3-4处示出。阴极中存在的氮的总量约为96％，压力大约与周围环境的空气压力(例如，1atm)相等。重复该过程，用储氢器19提供的氢电化学消耗阴极中存在的氧(大约是阴极体积的4％)。随后，阴极中由氧消耗产生的空穴由来自周围环境的空气(还由约80％的氮和20％的氧组成)填充。因此，通过这种基本连续的过程，燃料电池堆200的阴极主要被氮气覆盖。

此外，图2中示出的燃料电池模块300的排布方式也引起燃料电池堆200中阳极的被动氮覆盖。由于来自储氢器19的氢燃料被消耗，阳极中存在的气体混合物的体积减小，从而导致阳极内部相应压力下降。阳极内的压力下降促使在燃料电池堆200中从每个膜的阴极到阳极端产生压力梯度。所述压力梯度会被动地从相应阴极向阳极穿越膜引入氮，从而，使得阳极也被氮覆盖。

本领域内的普通技术人员可以理解的是，阴极和阳极的覆盖是以持续并流动的方式一起发生的，因此，难以用离散的步骤示出该过程。所以，以上提供的描述不拟将本发明的范围限制为离散事件或过程的具体顺序。

根据在此描述的本发明的一些实施方案的各个方面，可以理解的是，为了实现以具有大气压力的氮有效地覆盖阳极和阴极，有必要提供充足的补充空气，以在氧气几乎全部消耗后获得高浓度的残留氮。这就需要向燃料电池堆的阳极提供接近化学计量的氢以便氧的电化学消耗。一般来说，必须向至少一种供应给燃料电池的反应物提供不反应介质，所述不反应介质在反应物互相几乎全部电化学消耗之后仍保留在燃料电池内的。

参照图4，所示的是根据本发明另一实施方案各个方面的燃料电池模块302的示意图。本领域内的普通技术人员可以理解的是，燃料电池模块包括支持元件的适当组合，并且燃料电池模块302以只显示对描述本发明的实施方案各个方面必需的那些元件的方式示出。

图4中示出的燃料电池模块302与图2中示出的燃料电池模块300相似。因此，燃料电池模块300和302中共有的元件共用共同的参考标记。两种燃料电池模块300和302之间的差别在于：燃料电池模块302不包括输入阀10、输出阀11、止回阀15和空气供应口106。

图4中示出的鼓风机60连接到阴极入口202，无需在两者之间放置阀(例如，输入阀10)。所述鼓风机60是适于迫使空气进入阴极入口202的任何装置(例如，电扇、压缩机等)。当切断鼓风机60的动力后，鼓风机60还可用来被动地阻止、但无需停止进入阴极入口202的空气的自由流动。

在正常运行过程中，燃料电池模块302以与上述燃料电池模块300基本相同的方式运行。

在关闭过程中，燃料电池模块302的运行与燃料电池模块300的运行相似；然而，就像已经提及的那样，没有止回阀阻止和允许自由空气流动进入阴极入口202。相反，进入阴极入口202的空气的流动通过经由鼓风机60的路径减速，使得在补充空气流入阴极以取代已消耗的氧所丧失的体积之前，燃料电池堆200的阴极中残留的氧(当关闭燃料电池模块300时)已基本被电化学消耗。也就是说，还参照图3，在由于压力相对下降而将补充空气被动地引入阴极之前，阴极中气体混合物的成分与在3-2处显示的阴极中气体混合物的成分相似。一旦补充空气通过鼓风机60进入燃料电池堆200的阴极，则阴极中气体混合物的成分就与3-3(并等同于3-4)显示的阴极中气体混合物的成分相似。

换句话说，经由鼓风机60的空气流的局部限制防止阴极上已电化学消耗的氧持续、快速地再充满，该持续、快速的再充满会防止在阴极上形成主要富氮的气体组分。因此，除了没有在阴极产生大量可测量的真空之外，阴极上的氧浓度逐渐损耗的过程遵循如上参照图2所述相似的过程。相反，氧的电化学损耗产生体积空穴及阴极中局部氧匮乏，使得补充空气引入(通过压力和浓度差驱动力的组合)电极表面。

而且，由于没有输出阀(例如，输出阀11)阻挡从阴极出口203到第一废气口108的路径，一些空气通过阴极出口203和第一废气口108流入阴极。而且，如上参照图2所述，由于氢被消耗，在燃料电池模块302(图4中)中，阳极中的压力下降使得氮被抽吸穿过各个膜。

还应该注意的是，由于图2中的阀10和11没有包括在系统302中，空气将持续扩散进入阴极。时间长了这会使得阴极中的气体组分与周围大气的近似均衡。由此，这会逐渐导致阳极气体组分中的浓度变化，使得经过很长一段时间后可以推定：阳极和阴极中的气体组分都会与周围大气的近似。在该实施方案中，与之前实施例相比会出现稍高的老化程度。

再者，本领域内的普通技术人员可以理解的是，阴极和阳极的覆盖是以持续并流动的方式一起发生的，因此，难以用离散的步骤示出该过程。所以，以上提供的描述不拟将本发明的范围限制为离散事件或过程的具体顺序。

参照图5，所示的是根据本发明另一实施方案各个方面的燃料电池模块304的示意图。本领域内的普通技术人员可以理解的是，燃料电池模块包括支持元件的适当组合，并且燃料电池模块304以只显示对描述本发明的实施方案各个方面必需的那些元件的方式示出。

图5中示出的燃料电池模块304与图2中示出的燃料电池模块300相似。因此，燃料电池模块300和304中共有的元件共用共同的参考标记。两种燃料电池模块300和304之间的差别在于：燃料电池模块304不包括输出阀11、止回阀15和空气供应口106。

在正常运行过程中，燃料电池模块304以与上述燃料电池模块300基本相同的方式运行。

在关闭过程中，燃料电池模块304的运行方式与上述燃料电池模块302的运行方式相似。再者，没有止回阀阻止和允许自由空气流进入阴极入口202。而且，输入阀10置于鼓风机60和阴极入口202之间，由于输入阀10关闭，所以在关闭过程中，补充空气就不能通过鼓风机60流入燃料电池堆200的阴极。相反，进入阴极的空气流经由第一废气口108通过阴极出口203。在该实施方案中，期望将第一废气口108的尺寸大小和/或形状定为：使得在反方向上的空气流由于通过第一废气口108的相反路径而减速，使得在补充空气流入阴极以取代已耗氧的体积之前，残留在燃料电池堆200的阴极中的氧(当关闭燃料电池模块300时)基本被电化学消耗掉。也就是说，还参照图3，在由于压力下降而将补充空气被动地引入阴极之前，阴极中气体混合物的成分与在3-2处显示的阴极中气体混合物的成分相似。一旦补充空气通过鼓风机60进入燃料电池堆200的阴极，则阴极中气体混合物的成分就与3-3(以及，等同于3-4)显示的阴极中气体混合物的成分相似。而且，如上参照图2所述，由于氢被消耗，在燃料电池模块304(图5中)内，阳极中的压力下降使得氮被抽吸穿过各个膜。

再者，本领域内的普通技术人员可以理解的是，阴极和阳极的覆盖是以持续并流动的方式一起发生的，因此，难以用离散的步骤示出该过程。所以，以上提供的描述不拟将本发明的范围限制为离散事件或过程的具体顺序。

参照图6，所示的是本发明另一实施方案各个方面的燃料电池模块306的示意图。本领域内的普通技术人员可以理解的是，燃料电池模块包括支持元件的适当组合，并且燃料电池模块306以只显示对描述本发明的实施方案各个方面必需的那些元件的方式示出。

图6中示出的燃料电池模块306与图2中示出的燃料电池模块300相似。因此，燃料电池模块300和306中共有的元件共用共同的参考标记。两种燃料电池模块300和306之间的差别在于：燃料电池模块306不包括输入阀10、止回阀15和空气供应口106。

如图4，图6中示出的鼓风机60与阴极入口202连接而在两者之间无阀(例如，输入阀10)。所述鼓风机60是适于迫使空气进入阴极入口202的任何装置(例如，电扇、压缩机等)。当切断该鼓风机60的动力后，鼓风机60还可用来被动地阻止、但无需停止进入阴极入口202的空气的自由流动。

在正常运行过程中，燃料电池模块306以与上述燃料电池模块300基本相同的方式运行。

在关闭过程中，燃料电池模块306的运行方式与燃料电池模块300、302的运行方式相似；然而，就像已经提及的那样，没有止回阀阻止和允许自由空气流进入阴极入口202。相反，进入阴极入口202的空气的流动通过经由鼓风机60的路径减速，在补充空气流入阴极以取代已耗氧的体积之前，燃料电池堆200的阴极中残留的氧(当关闭燃料电池模块300时)已基本被电化学消耗掉。也就是说，还参照图3，在由于压力相对下降而将补充空气被动地引入阴极之前，阴极中气体混合物的成分与在3-2处显示的阴极中气体混合物的成分相似。一旦补充空气通过鼓风机60进入燃料电池堆200的阴极，则阴极中气体混合物的成分就与3-3(并等同于3-4)显示的阴极中气体混合物的成分相似。

而且，由于该燃料电池模块306包括输出阀11，所以因输出阀11在关闭过程中闭合，补充空气在关闭过程中被阻止进入阴极出口203。而且，如上参照图2所述，由于氢被消耗，所以在燃料电池模块306(图6中)内阳极中的压力下降使得氮被抽吸穿过各个膜。

再者，本领域内的普通技术人员可以理解的是，阴极和阳极的覆盖是以持续并流动的方式一起发生的，因此，难以用离散的步骤示出该过程。所以，以上提供的描述不拟将本发明的范围限制为离散事件或过程的具体顺序。

参照图2、4、5和6，作为替换，可以在阳极入口204和阴极入口202之间连接可选择的第二止回阀(未示出)。第二止回阀被构造为：在关闭过程中，当阳极中的压力和阴极中的压力之间存在预定压差时，该第二止回阀打开，允许仅从阴极向阳极的流动；并且，在正常运行中，所述第二止回阀被构造为保持闭合。

当来自储氢器19的足量氢燃料被电化学消耗掉，造成上述压力下降时，该第二止回阀则用于保证将氮从阴极传送到阳极。这作为一种用于覆盖阳极的方法，可以用来补充和/或替换对氮穿越燃料电池堆200内的各个膜扩散的需要。

上述内容仅表示本发明原理的应用。本领域内的普通技术人员可以理解的是，其它组合方式也可不脱离本发明的范围。因此，可以理解的是，在权利要求范围内，除了在此具体描述的之外，本发明也由其它方式实施。

Claims (20)

1.一种燃料电池模块，包括：

包括至少一个燃料电池的燃料电池堆，每个燃料电池都包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质介质，其中，在正常运行中，向阳极提供第一反应物，并且向阴极提供包含第二反应物和不反应介质的第一混合物；

可连接于阳极和阴极之间的寄生负载；以及

可连接到阳极的反应物储存器，其用于存储在燃料电池模块的关闭过程中使用的适量第一反应物，由此，在使用中，当燃料电池模块关闭时，存储量的第一反应物从反应物储存器引出，并与残留在燃料电池模块中一定量的第二反应物进行电化学反应，以电化学消耗所有量的第一和第二反应物，从而使第二混合物基本只包含不反应介质。

2.根据权利要求1的燃料电池模块，其特征在于该燃料电池堆包括：

阴极入口，用于将第一混合物供应给阴极；

阴极出口，用于排出来自阴极的第二反应物的未反应量、不反应的介质量和废气产物；

阳极入口，其与反应物储存器可流体连通并用于将第一反应物供应给阳极；以及

阳极出口，用于排出来自阳极的第一反应物的未反应量和废气产物。

3.根据权利要求2的燃料电池模块，其特征在于电解质介质是质子交换膜(PEM)。

4.根据权利要求3的燃料电池模块，其特征在于第一反应物是氢，第二反应物是空气中携带的氧，并且不反应介质是空气中携带的氮。

5.根据权利要求4的燃料电池模块，其特征在于还包括：

氢供应口；以及

阳极输入阀，其可连接在氢供应口和反应物储存器之间，用于在关闭过程中切断从氢供应口到阳极入口的氢的流动。

6.根据权利要求5的燃料电池模块，其特征在于还包括阳极输出阀，其可连接至阳极出口，用于在关闭过程中密封地关闭阳极出口。

7.根据权利要求5的燃料电池模块，其特征在于还包括鼓风机，其可连接在阴极入口和空气供应之间，用于在正常运行中迫使空气进入阴极。

8.根据权利要求7的燃料电池模块，其特征在于鼓风机还被构造为在关闭过程中被动地阻止、但不完全停止进入阴极的自由空气流。

9.根据权利要求7的燃料电池模块，其特征在于还包括阴极输入阀，其可连接在鼓风机和阴极入口之间，用于切断通过鼓风机进入阴极入口的空气流。

10.根据权利要求9的燃料电池模块，其特征在于还包括止回阀，其可连接在阴极入口和空气供应之间，其中当阴极中的内部压力和空气供应压力之间的压差到达预定压差时，止回阀打开，并且当内部压力和空气供应压力基本相同时，其保持闭合。

11.根据权利要求7的燃料电池模块，其特征在于还包括阴极输出阀，其可连接至阴极输出口，用于在关闭过程中密封地关闭阴极出口。

12.根据权利要求7的燃料电池模块，其特征在于还包括

氢供应口；

阳极输入阀，其可连接在氢供应口和反应物储存器之间，用于在关闭过程中切断从氢供应口到阳极入口的氢的流动；以及

止回阀，其可连接在阴极入口和阳极入口之间；

其中，当阴极中的内部压力和阳极中的内部压力之间的压差到达预定压差时，止回阀打开，并且当内部压力基本相同时，其保持闭合。

13.根据权利要求7的燃料电池模块，其特征在于还包括可连接至阴极出口的废气口，其用于阻止、但不完全停止进入阴极出口的空气的自由流动。

14.根据权利要求1的燃料电池模块，其特征在于还包括可连接至阳极的流量控制装置，用于调节输送给阳极的第一反应物的流动。

15.根据权利要求1的燃料电池模块，其特征在于反应物储存器是容器、压力容器、和一定长度的管道中的一种。

16.根据权利要求1的燃料电池模块，其特征在于反应物储存器的大小适于使得反应物储存器中存储接近化学计量的第一反应物，以在关闭过程中电化学地消耗燃料电池模块中残留的第二反应物量，以便阻止其它不期望的反应发生，并随着第一和第二反应物的残留量被电化学消耗而使得燃料电池模块内的相应压力下降。

17.根据权利要求1的燃料电池模块，其特征在于反应物储存器的大小适于使得反应物储存器中存储的第一反应物量在关闭过程中不足以电化学消耗燃料电池模块中残留的第二反应物的全部量，以便阻止其它不期望的反应发生，并且反应物储存器在关闭过程中可重新充满，使得几乎所有的第二反应物残留量都可以被在关闭过程中添加到反应物储存器的第一反应物的补充量电化学消耗。

18.根据权利要求1的燃料电池模块，其特征在于寄生负载包括燃料电池模块的内阻和外阻元件中的至少一个。

19.一种燃料电池模块，包括：

燃料电池，其包括第一电极、第二电极以及置于第一电极和第二电极之间的电解质介质，其中，在正常运行中，向第一电极提供第一反应物，并且向第二电极提供包括第二反应物和不反应介质的第一混合物；

寄生负载，其可连接于第一和第二电极之间；以及

反应物储存器，其可连接到第一电极，用于存储在燃料电池模块的关闭过程中使用的适量第一反应物，由此，在使用中，当燃料电池模块关闭时，储存量的第一反应物从反应物储存器引出，并与残留在燃料电池模块中的第二反应物量进行电化学反应，以电化学消耗所有量的第一和第二反应物，从而使第二混合物基本只包含不反应介质。

20.一种用于关闭燃料电池的方法，燃料电池包括第一电极、第二电极以及置于第一电极和第二电极之间的电解质膜，其中，在正常运行中，向第一电极提供第一反应物，并且向第二电极提供包括第二反应物和不反应介质的第一混合物，该方法包括：

停止进入第一电极的反应物的流入；

切断支持辅助设施元件的动力；

通过可连接于第一和第二电极之间的寄生负载引出电流；

提供预存的、接近化学计量的第一反应物，用于电化学消耗第二反应物的残留量；并且

允许一定量的第一混合物延迟流入第二电极；

其中，接近化学计量的第一反应物与第二反应物的残留量进行电化学反应，从而使第二混合物基本只包括不反应介质。

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