CN1853305A - 使用化学计量的分阶段燃烧器的燃料电池关闭和起动清洁方法 - Google Patents

Abstract

一种用于操作燃料电池系统的装置和方法。这种装置包括一种燃烧器，该燃烧器构置成用于按照一定方式混合燃料电池中使用的反应物以便产生用来使燃料电池内的电极惰性化的惰性流体。这种装置还包括用于允许在电极惰性化之后清洁电极的元件部分。按照一种形式，燃烧器具有使得由反应物的燃烧产生的热基本上被燃烧器吸收的此类蓄热物质，因此不需要借助于辅助冷却设备。燃烧器还可被构置成用于促进燃料电池反应物的分阶段混合和随后的反应以便进一步限制反应产生过多热。尽管本发明的装置可用于系统操作的任何周期期间，但其对于与起动和关闭燃料电池系统相关联的运行条件特别有用以便禁止形成高电压电势，否则的话该高电压电势可能损坏燃料电池催化剂或催化剂载体。

Description

使用化学计量的分阶段燃烧器的燃料电池关闭和起动清洁方法

发明背景

本发明总体涉及燃料电池系统的操作，尤其涉及按照一定方式起动和关闭燃料电池以便将催化剂载体材料的氧化减至最小同时保持系统简单性。

发明内容

公开了燃料电池系统和按照一定方式操作这种系统以便避免对系统部件上的运转瞬态造成有害影响的方法。这种装置以及其操作方法可用于首先减小开路电压，然后清洁燃料电池电极以避免形成可能腐蚀催化剂或其载体的电势。迅速、彻底地除去反应物物质就容许快速进行燃料电池启动和关闭。这样就将过大的关闭能量级和伴随的过大电压电势减至最小，否则，由于氢-空气界面形成了燃料电池电极中的一个或两个，就会产生这种过大的关闭能量级和伴随的过大电压电势。

根据本发明的第一方面，公开了包括至少一个燃料电池及燃烧器的装置。燃料电池包括阳极、阴极和置于阳极与阴极之间的薄膜。阳极和阴极流路用来将其相应的电极分别联接至第一反应物源和第二反应物源。置于装置中的阀容许燃烧器被放置成与两个流路保持选择性的流体连通。燃烧器包括反应室，反应室构置成用于促进来自燃料源的第一反应物和来自氧源的第二反应物分阶段混合。

任选地，这种装置包括置于反应室的至少一部分上的催化剂。此外，反应室可被构置成使得第一和第二反应物彼此成逆流关系引入。而且，反应室可包括由第一反应物导管和第二反应物导管限定的构造，在这里它们中的至少一个导管限定了具有多个位于其中的沿轴向隔开的孔的设置结构以便促进反应物的分阶段混合。举例来说，导管可被设置成环形(同心)构型。这样分阶段或者逐渐地引入反应物就容许反应按照更加受控的方式形成，从而减小了流路上的热负载。按照一种任选的形式，燃烧器为催化燃烧器，但是应当理解，还可以使用采用传统火焰燃烧喷嘴的燃烧器。燃烧器由蓄热物质构成因此由反应物之间的反应产生的热基本上被燃烧器吸收。在本文的范围内，术语“基本上”指的是由元件或特征构成的设置结构尽管在理论上应当预期显示出精确的一致性或行为，但实际上可具体实现为稍微不够精确。这样，这个术语表示数值、测量结果或其它相关表达在不会导致所论主题的基本功能产发生变化的情况下可不同于所述参考。结合所公开的燃烧器，这意味着燃烧器结构(其可由高热容量材料如金属制成)用作由燃烧器内部的反应产生的过多热的吸热器，以便使得在吸收了反应热之后，反应产物只有数量微不足道的额外含热量超过其前体反应物。这样又将温度保持于否则可能损坏燃料电池的温度以下，并且在不需要增加辅助热交换器或冷却器的成本和复杂性的情况下实现这点。举例来说，容许温度增加高达二十摄氏度。还应当理解，与燃烧器相关联的蓄热物质不需要在燃烧器内整体地形成，照这样可以在主燃烧器壳体的外面使用，例如呈位于燃烧器下游(但仍然位于燃料电池上游)的金属重物(带或不带散热片)的形式。应当理解，只要此类物质的主要用途是利用该物质吸收大部分此类含热量而减少反应产物的含热量，则这种变型的蓄热物质即使不整体地形成于燃烧器上，也属于本发明的权限内。

另外，传感器可放置于燃烧器的下游并且与控制器配合工作以便使得控制器对由传感器发送的信号做出响应。举例来说，这种传感器可为氧传感器，而其发送的信号可向控制器发出反应产物偏离其理想化学计量状态的指示。联接于控制器上的反馈机构容许在燃烧器中的反应物之间保持基本上为化学计量的比率。在本文的范围内，术语“化学计量”指的是其中存在的反应物中每一个都刚好足够完成反应过程的反应。例如，如果所关心的是化学计量脱氧，则应该存在足够的氧和燃料(例如氢)以便使得反应产物变成基本上耗尽氧的情况。这种装置还可包括联接于第二反应物源上的压力源(例如压缩机)以便促进第二反应物的流动。应当理解，这种装置还可包括能量转换机构以便提取由燃料电池产生的电能并且将其转变成原动力。此外，这种装置还可包括构置成适于容放燃料电池、其辅助装置和能量转换机构的交通工具。这种交通工具(例如，其可为汽车、卡车、摩托车、飞行器或船舶)可动地响应于能量转换机构中产生的原动力。在一个实施例中，燃料电池为质子交换薄膜燃料电池，在这里第一反应物为富氢的流体，而第二反应物为富氧的流体。在本文的范围内，术语“富氢的”和“富氧的”包括那些分别具有足够数量的氢和氧以便经受适当的燃料电池元件所需要的预期反应的反应物材料。富氢的燃料的实例有甲醇、氢、甲烷和汽油。

燃烧器和阀的设置结构可以变化，这尤其取决于燃烧器是馈给阳极还是阴极。举例来说，装置可以构置成第一带有馈给阳极的化学计量燃烧器，第二带有馈给阴极的化学计量燃烧器及对阳极的无腐蚀性流体清洁，或者第三带有馈给阴极的化学计量燃烧器及对阳极的反应物流体清洁，以下将对此全部进行更详细地讨论。因此，任选地，这些阀包括构置成适于选择性地将第一或第二反应物之一引入燃烧器中的惰性化阀和构置成适于选择性地将第一反应物引入燃烧器或阳极中的至少一个中的流动阀。按照这种选择的第一形式，燃烧器被置于阳极流路中，惰性化阀被沿流动方向置于第二反应物源与燃烧器之间，而流动阀被沿流动方向置于第一反应物源与燃烧器之间的阳极流路中。按照这种选择的第二和第三形式，燃烧器被置于阴极流路中，惰性化阀被沿流动方向置于第一反应物源与燃烧器之间，而流动阀被沿流动方向置于第一反应物源与阳极之间的阴极流路中。可以包括放泄阀，位于阳极流路与阴极流路之间以便容许在它们之间选择性地形成流体连通。在采用放泄阀的构型(例如第二任选形式)中，还可包括阴极出口阀，以用于选择性地控制位于阴极下游的阴极流路的一部分中的背压。这样可以有助于帮助推动燃料电池的下游(排出)部分中的流体进入阳极。在构型(例如第三任选形式)中，放泄阀可以沿流动方向放置于阴极流路中的燃烧器上游以及流动阀的下游。这样可有助于帮助推动燃料电池的上游部分中的未混合反应物(例如空气)进入阳极以便进行清洁。

根据本发明的又一个方面，公开了能量产生装置，其包括燃料电池及相关的阳极和阴极流路以及阀。如同先前的方面，燃烧器与两个流路选择性地形成流体连通，并且构置成适于由第一和第二反应物形成反应产物。根据这个方面，燃烧器拥有使得由第一与第二反应物之间的反应所产生的热基本上被燃烧器吸收的此类蓄热物质，从而将与反应相关联的温度增加保持于预定量以下。如前所述，蓄热物质可形成燃烧器的不可分割的部分(例如采用较厚燃烧器部件或吸热配件的形式)，或者可位于燃烧器与燃料电池之间以便减少前者对后者的热冲击。通过为燃烧器提供整体式或下游的外加蓄热物质，就避免了使用分离式的热交换装置。

根据本发明的另一个方面，公开了能量产生装置。如同先前的方面，这种装置包括至少一个燃料电池和燃烧器，其中燃料电池包括阳极、阴极、置于其间的薄膜、阳极和阴极流路。根据这个方面，阴极流路将阴极沿流动方向联接于可加压空气源上。此外，燃烧器为催化型，并且选择性地与两个流路形成流体连通。如前所述，燃烧器拥有使得由其中的反应产生的热基本上被燃烧器吸收的此类蓄热物质。燃烧器的构造类似于先前所述的方面，用来在燃烧器与流路中的至少一个之间建立选择性的流体连通的众多阀的构型也是如此。同样如前所述，传感器置于燃烧器的下游，并且在信号上联接于控制器上以便使得传感器中产生的信号可以由控制器(作为反馈系统的零件)使用来在燃烧器中的反应物之间保持基本上为化学计量的比率。

根据本发明的另一个方面，公开了清洁燃料电池系统的方法。这种方法包括构置系统以便包括类似于先前的方面中的至少一个中所述的至少一个燃料电池、燃烧器和阀的设置结构的步骤。另外的步骤包括调节阀中的至少一个以便使燃烧器中的反应物获得基本上为化学计量的混合物，使混合物反应以便产生基本上惰性的流体，该流体可以随后被引入阳极或阴极中的至少一个中，以及调节阀中的至少一个以便使系统稳定。

任选的步骤包括构置燃烧器以便具有使得由反应步骤所产生的热基本上被燃烧器吸收的此类蓄热物质，从而将伴随着反应步骤的温度增加保持于预定量以下以防止损坏燃料电池。如前所述，这种燃烧器构型容许燃料电池系统在不借助于使用辅助热交换器的情况下操作。同样如前所述，燃烧器和阀的这种设置结构可呈现众多形式，包括(但并不限于)此处所示、所述的三种任选形式。此外，可以采用不同的步骤和不同的顺序，这取决于燃料电池是正在起动还是正在关闭。

为了关闭第一前述任选形式，调节步骤中的第一步包括打开惰性化阀。这样就引起形成基本上为惰性的流体，该基本上为惰性的流体又流入阳极并通过基本上移走驻留的流体(例如，其可为燃料或者带有燃料/空气界面的燃料和空气)而在其中产生降低的电压电势。指示显著的电极惰性化的电压水平优选地低于0.5伏，更优选地低于0.4伏。调节步骤中的第二步包括一旦已经达到理想的降低电压电势后关闭流动阀。更详细地说，第二调节步骤的稳定化部分包括使第二反应物流入阳极直到阳极基本上得到清洁为止。一种停止此类第二反应物流动的方法可为通过关掉压力源例如空气压缩机来进行。在反应步骤之后还可以有另外的步骤。例如，可以使用传感器、控制器和辅助反馈设备来确定残余的第二反应物(例如氧)是否存在于基本上为化学计量的混合物中，以及是否准许调节阀中的至少一个来保证燃烧器中的基本上为化学计量的关系得以保持。

为了启动第一前述任选形式，可以采用其它步骤。这些可包括在调节步骤中的第一步之前使第二反应物流入惰性化阀中。一种启动此类流动的方法可为通过运行任选的压缩机例如空气压缩机来进行。而且，调节步骤中的第二步包括在阳极已经惰性化之后关闭惰性化阀。

如前所述，按照第二前述任选形式，惰性化阀被沿流动方向置于第一反应物源与燃烧器之间，而流动阀可被沿流动方向置于第一反应物源与阳极之间的阳极流路中。这种阀可还包括如前所述位于阳极与阴极流路之间的放泄阀。为了关闭这种任选形式，调节步骤中的第一步包括关闭流动阀和打开惰性化阀。如前，这样就引起形成基本上为惰性的流体，该基本上为惰性的流体产生降低电压电势(然而这次为在阴极中)。调节步骤中的第二步包括一旦已经达到阴极中的降低电压电势就打开放泄阀以便容许基本上为惰性的流体流过并清洁阳极。此外，调节步骤中的第二步包括关闭惰性化阀以便利用第二反应物清洁阳极和阴极，此后可停止第二反应物流动。另外，回压阀可放置于放泄阀的下游。该阀可在关闭惰性化阀的步骤之前关闭以便促进排出装置中的流体流向阳极。

如同第一前述任选形式，第二任选形式还可以采用其它步骤以便实现燃料电池启动。例如，第二反应物可在调节步骤中的第一步之前流动(例如通过使用前述的任选压缩机)。而且，在第一调节步骤之后但在第二调节步骤之前，可以关闭放泄阀。与关闭放泄阀一起，可以将放置于放泄阀下游的回压阀放置于打开位置中，此后执行所述调节步骤中的第二步，其中此类步骤包括打开流动阀和关闭所述惰性化阀。实现系统启动的一种替代方法包括在第二调节步骤之前的关闭放泄阀步骤之前使足够的基本上为惰性的流体流过阳极。这样就具有使先前驻留于阳极中的任何流体基本上移走的效果。如同第一任选形式，可以使用传感器、控制器和辅助反馈设备来将燃烧器中产生的流体保持于基本上为惰性的状态。

在第三任选形式的关闭步骤中，这些阀还包括在燃料电池上游构置成适于选择性地沿流动方向使流路彼此联接的放泄阀，这个步骤包括在上述调节步骤中的第一步中关闭流动阀和打开惰性化阀(两者都类似于第二任选形式中使用的方式)。同样，如同第二任选形式，这样就引起形成基本上为惰性的流体，该基本上为惰性的流体在阴极中产生降低电压电势。此处，引入步骤包括一旦已经达到降低电压电势之后就打开放泄阀。如同其它两种任选形式，电压可为预定水平，例如0.5伏或者更低，更优选地0.4伏或者更低。打开放泄阀就容许第二反应物清洁阳极。在这种情况下，调节步骤中的第二步可包括关闭惰性化阀，此后可停止第二反应物流动。

第三任选形式的起动包括将放泄阀放置于关闭位置(如果其已经打开)并使第二反应物开始流动，这两者都在调节步骤中的第一步之前进行。调节步骤中的第二步包括打开流动阀和关闭惰性化阀。

根据本发明的另外一个方面，公开了清洁燃料电池系统的方法。这种方法类似于前述方法，只是燃烧器被构置成包括足以吸收由燃烧器中的反应过程产生的热的蓄热物质。这样就将反应产生的温度增加保持于预定量以下。如前所示，由燃烧器中的反应产生的惰性流体通常太热因而不能被直接送入燃料电池中。在较短的燃料电池起动和关闭周期期间，可以使用燃烧器的外加蓄热物质来吸收反应期间产生的过多热，这又可以帮助降低惰性流体的温度并且防止损坏燃料电池。

附图说明

在结合以下各图阅读时，本发明的以下详细描述可以得到更好地理解，图中同样的结构利用同样的参考数字来表示，并且其中：

图1A示出了构置成用于交通工具应用的燃料电池系统的方决图；

图1B示出了来自图1A的系统的典型燃料电池；

图1C示出了位于图1B的燃料电池的阳极与薄膜之间的区域的放大图，突出显示了将催化剂放置于载体上，在这里催化剂用来促进燃料的离子化；

图2A示出了根据本发明的一个实施例在阳极流路中采用化学计量的燃烧器的燃料电池系统的方块图；

图2B示出了根据本发明的另一个实施例在阴极流路中采用化学计量的燃烧器的燃料电池系统的方块图，该阴极流路中带有清洁阳极的惰性流体；

图2C示出了根据本发明的另一个实施例在阴极流路中采用化学计量的燃烧器的燃料电池系统的方块图，该阴极流路中带有清洁阳极的第二反应物；

图3示出了形成为图2A、2B或2C的燃料电池系统的一部分的分阶段燃烧器的详图；以及

图4示出了采用图2A、2B或2C的燃料电池系统的交通工具。

具体实施方式

首先参看图1A，方块图突出显示了根据本发明的机动燃料电池系统1的主要部件。这种系统包括燃料输送系统100(由燃料(即第一反应物)源100A和氧(即第二反应物)源100B组成)、燃料处理系统200、燃料电池300、一个或多个能量存储装置400、动力传动系统500和一个或多个象征性地示为车轮的运动装置600。尽管所示的本系统1用于机动(例如交通工具)应用，但本发明所属领域的普通技术人员应当理解燃料电池300及其辅助装置同样地适用于固定应用。本发明所属领域的普通技术人员还应当理解，可用其它燃料输送和燃料处理系统。例如，除了燃料源100A和氧源100B之外，可有水源(未示出)。同样，在已经可用基本上纯净的燃料的一些变型中，可能不需要燃料处理系统200。能量存储装置400可呈一个或多个电池、电容器、电能转换器乃至用于将来自燃料电池300的电流转换成机械动力例如旋转轴动力的马达的形式，该动力可用于操作动力传动系统500和一个或多个运动装置600。可以引入燃料处理系统200以便将原燃料例如甲醇转换成用于燃料电池300的氢或者富氢燃料。燃料电池300包括电极，特别地是阳极310和阴极330，以及置于电极之间的电解质层320。尽管只示出了单个燃料电池300，但本发明所属领域的普通技术人员应当理解燃料电池系统1(特别是用于交通工具以及相关应用的燃料电池系统)可以由许多串联连接的此类电池制成。

下面参看图1B和1C，阳极310包括电极衬底312和连接于流通道316上的催化剂层314。阴极330包括电极衬底332和连接于流通道336上的催化剂层334。流通道316、336形成了阳极流路和阴极流路(两者都如下所述)的接触其相应阳极和阴极的部分。优选地，电极衬底312、332为多孔式以便容许燃料和氧的扩散以及由于燃料-氧反应而形成的水的流动。电解质层320在此示出为质子交换薄膜的形式，其容许离子化氢从阳极310流向阴极330同时禁止电流穿过。催化剂层314由散布于载体314B的表面上的催化剂314A组成。尽管未示出，但本发明所属领域的普通技术人员应当理解，阴极330所用的催化剂层334的构造可以基本上类似于图1C中所示的催化剂层314。

在操作中，燃料(通常呈气态氢的形式)穿过流通道316，从而容许燃料通过电极衬底312扩散并且与催化剂314A形成接触，这样氢燃料的电化氧化就按照被认为是离解吸附反应的方式进行。催化剂314A促进了这种反应，其通常呈由散布在载体314B的表面上方的贵金属(例如铂)构成的细碎颗粒形式，该载体314B通常为碳基。在阳极310产生的带正电的氢离子(质子)随后经过电解质320以便与在阴极330产生的带负电的氧离子反应。所释放的电子的流产生通过能量存储装置400中的负载的电流，以便使得马达或有关电流响应器可以转动。可以包括外加的泵(未示出)以便从电极衬底312、332除去水，否则的话水将会聚集并且可能阻塞多孔的通道。在瞬时的燃料电池操作期间，特别是起动和关闭期间，既沿着流通道316、336又跨过电解质320的氢-空气界面的存在可能导致产生过大的电压电势，而过大的电压电势可能缩短催化剂层314、334的寿命。为了防止对空气-氢界面的冲击或将其减至最小，系统可构置成用于使驻留空气或燃料的阴极和阳极惰性化和清洁以便使得这些高电压电势得到改善。

下面参看图2A至2C，示出了本系统的不同实施例的方块图。特别参看图2A，示出了第一系统配置，其中燃烧器370放置于阳极流路340中，其中阳极流路340沿流动方向将燃料源100A通过流动(即燃料供应)阀342联接至阳极310。流路340包括位于燃料电池300上游的部分340A和位于其下游的部分340B。氧源100B沿流动方向联接于阴极流路350以便使得能够使氧流经阴极330。很像阳极流路340，阴极流路350包括位于燃料电池300上游的部分350A和位于其下游的部分350B。压力源360(例如呈空气压缩机的形式)放置于阴极流路350的上游部分350A中以便促进氧从氧源100B流动。惰性化阀344将阴极流路350的上游部分350A通过燃烧器370联接至阳极流路340；在本构型中，其用作空气惰性化阀。反馈机构380包括传感器和控制器。传感器优选地为氧传感器，并用来检测燃烧器370中产生的流体中的第二反应物(例如氧)的残余量的存在，否则的话该流体就基本上为惰性。如果传感器检测到氧浓度超过预定阈值，其向控制器发送信号以便指令控制器改变一个或多个阀的设置以图使燃烧器370中的反应物保持理想的化学计量比。

按照这种构造，通过燃料中的氢和空气中的氧的化学计量反应而产生的基本上为惰性的流体(例如包括主要的氮气和水蒸汽及微量其它气体)离开燃烧器370并且被输送至阳极310，在这里其替换当前驻留于其中的任何流体。例如，在起动期间，阳极310可首先沐浴于空气中，此后空气被惰性流体替换。相反，在关闭期间，利用惰性流体替换氢以便降低开路电压，此后可接着利用第二反应物替换惰性流体，该第二反应物被允许来自氧源100B并流过惰性化阀344和燃烧器370。

图2A的实施例(以及图2B和2C的实施例，两者都在下文中进行更详细地描述)突出显示了惰性化和清洁流体如何能够被有效用于降低阳极310和阴极330处的开路电压。例如，基本上为惰性的流体惰性越大，容许的开路电压将越高。类似地，如果通过合理选择惰性流体，开路电压被降低至低值，例如位于0与0.4伏之间，则随后可以引入比较非惰性的流体(例如空气)作为清洁流体，从而大大地简化了系统。为了将开路电压降低至这种水平，将需要被引入阴极330或阳极310的流体具有相当的惰性(即具有极低的氧或氢分压)。通过化学计量地操作燃烧器370，可以有效地实现这种惰性流体的产生。相应地，惰性化和清洁功能可以按照此处所示与描述的方式组合。此外，可以使用电压电平的测量结果来确定存在的气体是否基本上为惰性，因此清洁是否安全；此类测量结果可以与上述反馈机构380一起使用。

特别地参看图2B，示出了第二系统构型，其中燃烧器370放置于阴极流路350中。在这种构型中，和图2A的先前实施例不同，燃烧器370中产生的惰性流体被送至阴极330。燃烧器370连接于阳极310上的图2A的构型通常在结构上更简单，而本图的构型使得在瞬态期间通过惰性化降低电压电势更容易，因为阴极330的较慢运动学性能将允许使用不需要象图2A的系统那样纯的惰性流体。惰性化阀344将阴极流路350的上游部分350A通过燃烧器370联接至阳极流路340；在本构型中，其用作燃料惰性化阀。本实施例还包括沿流动方向联接至阴极流路350的下游部分350B的阳极清洁流路，并且包括允许将阴极排出管选择性地流体联接至阳极流路340的上游部分340A的放泄阀346。本构型还包括阴极回压阀354，其可用于将阴极废气流连路至放泄阀346，如果放泄阀346打开，其将允许流体的流从阴极流路350传送入并通过阳极310。利用这个实施例中流路之间的互连，由燃烧器370产生的惰性流体可用于既清洁阳极310又清洁阴极330。此外，这种互连允许在燃料电池300关闭及起动期间进行电极清洁。如同先前的任选形式，在瞬态操作的关闭和起动模式两者中，还可以通过操纵压缩机360和相应的空气流来调节本实施例的化学计量反应。照这样，反馈设备380的控制器将能向压缩机360发送适当的控制信号以便在燃烧器370中保持反应产物的化学计量。本发明所属领域的普通技术人员应当理解，这种任选形式因此能够在清洁用于关闭的第二反应物(例如空气)或者用于起动的燃料(例如氢)之前，利用基本上为惰性的流体使阴极330惰性化并随后清洁阳极310。

特别地参看图2C，示出了第三系统构型，其中燃烧器370按照有点类似于图2B的方式放置于阴极流路350中。然而，和图2B的构型不同，本实施例使用反应物清洁阳极而非使用惰性流体清洁；照这样，并不需要前文所述的回压阀。此外，放泄阀346被重定位以便使得其将燃烧器370上游的阴极流路350连接至流动阀342下游但阳极310上游的阳极流路340。在一种优选(但并不一定必需)形式中，反应物为包含于空气中的氧。在燃料电池关闭期间，一旦阴极330已经得到惰性化(由上述低电池电压指示)之后，放泄阀346就被打开以便容许第二反应物流入阳极310中，从而清洁它。然后，可以关闭惰性化阀344，并且可以关闭压缩机360。在起动期间，放泄阀346被关闭(如果未关闭)，此后启动压缩机360。如同其它实施例，可以调节一个或多个阀以便在燃烧器370中实现化学计量反应。如同前述任选形式，还可以通过操纵压缩机360和相应的空气流来调节本实施例的化学计量反应。

下面一起参看图3与图2A至2C中的任何一个，燃烧器370优选地呈分阶段环形燃烧室的形式，并且被放置于燃料电池300上游的阳极或阴极流路340、350中，以便能够产生基本上为惰性的流体，该基本上为惰性的流体随后用来使阴极330或阳极310惰性化。由燃烧器370实现的这种过程既能够通过更加迅速地替换驻留于阳极310和阴极330内的燃料和氧而加速系统的瞬态操作，又能够在此类系统瞬态期间更简便地清除阳极310或阴极330。在优选实施例中，燃烧器370由比较致密的材料制成，这种材料具有显著的能力来用作吸热器。金属为具有此类性能的一类材料，陶瓷也是。燃烧器370的这种吸热能力可以通过增加更多物质而得到加强，这可以通过制造厚壁结构或具有更长实际尺寸的结构来实现。还可以将热传导配件加至燃烧器370以便改进蓄热物质。应当理解，燃烧器370的蓄热物质的位置并不限于直接邻近反应物混合或燃烧区，乃至燃烧器370的壳体内。例如，蓄热物质可以位于燃烧器370与燃料电池300之间，并且仍被看作燃烧器370的一部分，只要其主要用途是减少与燃烧器370中进行的反应相关联的热增长即可。

利用燃烧器370的较大蓄热物质，在产生惰性流体期间产生于其中的热就基本上被包含在蓄热物质内，从而减少或彻底地消除对辅助冷却装置如热交换器的需要。例如，当清洁步骤的持续时间大概为十秒或更少时，燃烧器370的蓄热物质可以制造成使得并不需要辅助冷却装置。通过使物质与所产生的惰性气体的总体积成比例，燃烧器370的蓄热物质可以被制造成覆盖更长的清洁持续时间。例如，对于产生的每升惰性气体，对于燃烧器370中的20℃温升，将需要约250克的金属吸热器。对于给定的清洁流速，清洁时间将与需要的清洁体积相对应，而清洁体积将与燃料电池300的尺寸成比例。理想的是短时间，特别是在交通工具应用中尤其如此，这里操作人员已经习惯于迅速起动和关闭周期。

燃烧器370的环形构型包括内管372和外管374以便使得在它们之间形成环376。催化剂378(例如呈涂层的形式)沿着限定了环376的内管和外管372、374的壁放置。燃烧器370基本上为具有第一端370A和第二端370B的纵向构造，其限定成用于指示进入燃烧器370的流体的流沿所示的方向前进，在这里第二反应物(所示为空气)从第一端370A进入，而第一反应物(所示为燃料)从第二端370B进入以便使得，在形成基本上为惰性的流体反应产物时，其在其路线上如同所示流出至阳极310或阴极330，这取决于系统的构型。内管372包括众多小孔372A以容许第一反应物分阶段进入，以便使得第一反应物通过内管372沿轴向被引入第二端370B直到其经过孔372A并进入位于内管和外管372、374之间的环376中为止。第二反应物通过第一端370A被送入环376中。孔372A的轴向间距促进了反应物在环376中逐渐(即分阶段)的混合以及随后的在催化剂378上的催化反应。孔372A终止于燃烧器370的第二端370B的略微上游处，以便使得沿环376的反应物混合区的下游方向具有足够的催化剂378从而使催化反应最大化。在环376中产生的混合物扩散至涂有催化剂的壁，在这里发生反应物之间的反应。由催化剂378处的反应产生的能量将加热燃烧器370的壁。在本系统中，在燃料电池中在操作瞬态(特别是起动和关闭)期间产生过量的热，在这里使用来自燃烧器的反应产物来惰性化并随后(以及在某些情况中，同时)清洁阳极或阴极中的至少一个。尽管反应产物形成的惰性流体沐浴着包围着阳极310和阴极330的碳载体314B、334B和催化剂314A、334A以便降低电压电势，但其高温(如果保留未经检查状态)可能会损坏阳极310、阴极330或薄膜320。

如上所述，在清洁循环的持续时间内，燃烧器370的蓄热物质足以吸收反应热而不会发生显著温升。此外，分阶段反应允许反应热更加逐渐的积累，从而减少了形成局部热斑的可能性，而否则的话局部热斑可能伤害燃烧器370部件。本发明所属领域的普通技术人员应当理解，尽管逆流方向被象征性地示出以便提供更加均匀的空气输送入活性区中，还可以采用同向流动构型，在这里第一和第二反应物可被引入燃烧器370的同一总侧。本发明所属领域的普通技术人员应当理解，燃烧器370的构造和通向其的反应物输入可以作为连续、不间断的燃烧过程的部分而操作，或者作为离散的批量处理而操作，并且任一方法都适合于本发明的实施例。

燃烧器370内的环376的尺寸应当足够小以便将通向燃烧器壁的扩散距离减至最小，但是具有足够的催化剂涂层表面积以便支持反应进行。举例来说，对于氢的每秒0.02克的清洁速率(折合大约2％的满功率燃料流)连同空气流的化学计量的部分(每秒0.687克)、1.1英寸内径、1.4英寸外径和10英寸长度的环形燃烧室将允许足够的质量被传递至燃烧器370的催化剂涂层壁。在这种情况下，0.1英寸的外管374和内管372壁厚将提供理想的质量。按照这种清洁速率，清洁时间将大约为四秒，并且将会产生大约四升的惰性气体。内管372和环376的尺寸将会选择成为图2A的第一系统构型的满功率燃料流速或图2B和2C的第二和第三构型的满功率气流速度提供足够的通流面积以便正常操作。当然，可以使用更长燃烧器370或更低清洁速率来进一步保证完全反应和除热。还可以使用燃烧器壁上的扩展面(例如肋或翼片)来增加反应和传热面积。

下面结合图1参看图4，示出了包括有根据本发明的燃料电池系统的交通工具1000。燃料电池300沿流动方向联接至燃料供应装置100A。尽管交通工具1000象征性地示出为汽车，但本发明所属领域的普通技术人员应当理解，在其它交通工具形式(例如卡车、摩托车、飞行器、宇宙飞船或船舶)中使用燃料电池系统也在本发明的范围内。

尽管为了示例说明本发明的目的已经示出了某些代表性的实施例和细节，但本发明所属领域的普通技术人员应当清楚，在不脱离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以做出各种变化。

Claims (60)

1.一种装置，包括：

至少一个燃料电池，包括阳极、阴极和置于所述阳极与阴极之间的薄膜；

阳极流路，构置成用于将所述阳极联接至第一反应物源上；

阴极流路，构置成用于将所述阴极联接至第二反应物源上；

燃烧器，与两个所述流路保持选择性的流体连通，所述燃烧器包括反应室，反应室构置成用于促进所述第一反应物和第二反应物分阶段混合；以及

多个阀，其中至少一个构置成用于在所述燃烧器与所述流路中至少一个之间建立所述选择性的流体连通。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括置于所述反应室的至少一部分上的催化剂。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述反应室包括第一反应物导管和第二反应物导管。

4.根据权利要求3所述的装置，其中至少一个所述导管在其中限定了多个沿轴向隔开的孔以便促进所述反应物的所述分阶段混合。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述反应室被构置成使得所述第一和第二反应物彼此成逆流关系引入。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃烧器为催化燃烧器。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃烧器由蓄热物质构成因此由所述第一反应物与第二反应物之间的反应产生的热基本上被所述燃烧器吸收，从而将伴随所述反应的温度增加保持于预定量以下。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述预定量高达二十摄氏度。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：

放置于所述燃烧器下游的传感器；以及

对由所述传感器发送的信号做出响应的控制器，所述控制器被构置成用于在所述燃烧器中的所述第一反应物与第二反应物之间保持基本上为化学计量的比率。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括与所述第二反应物保持压力连通的压力源。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述压力源包括压缩机。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个阀包括：

构置成适于选择性地将所述第一或第二反应物之一引入所述燃烧器中的惰性化阀；以及

构置成适于选择性地将所述第一或第二反应物引入所述燃烧器或所述阳极中的至少一个中的流动阀。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述燃烧器被置于所述阳极流路中，所述惰性化阀被沿流动方向置于所述第二反应物的所述源与所述燃烧器之间，而所述流动阀被沿流动方向置于所述阳极流路中。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所述燃烧器被置于所述阴极流路中，所述惰性化阀被沿流动方向置于所述第一反应物源与所述燃烧器之间，而所述流动阀被沿流动方向置于所述阳极流路中。

15.根据权利要求14所述的装置，还包括放泄阀，位于所述阳极流路与所述阴极流路之间以便容许在它们之间选择性地形成流体连通。

16.根据权利要求15所述的装置，还包括阴极出口阀，构置成用于选择性地控制位于所述阴极流路的至少一部分中的背压。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述放泄阀沿流动方向放置于所述阴极流路中的所述燃烧器上游以及所述流动阀的下游。

18.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括能量转换机构，其构置成用于提取由所述燃料电池系统产生的电能并且将其转变成原动力。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述装置还包括构置成适于容放所述燃料电池系统和所述能量转换机构的交通工具，所述交通工具可动地响应于所述能量转换机构中产生的所述原动力。

20.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃料电池为质子交换薄膜燃料电池。

21.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一反应物为富氢的流体。

22.根据权利要求21所述的装置，其中所述第一反应物选自甲醇、氢、甲烷和汽油。

23.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二反应物为富氧的流体。

24.根据权利要求23所述的装置，其中所述富氧的流体为空气。

25.一种装置，包括：

至少一个燃料电池，包括阳极、阴极和置于所述阳极与阴极之间的薄膜；

阳极流路，构置成用于将所述阳极联接至第一反应物源上；

阴极流路，构置成用于将所述阴极联接至第二反应物源上；

燃烧器，与两个所述流路保持选择性的流体连通并且构置成适于由所述第一和第二反应物形成反应产物，所述燃烧器拥有使得由所述第一与第二反应物之间的反应所产生的热基本上被所述燃烧器吸收的蓄热物质，从而将伴随所述反应的温度增加保持于预定量以下；以及

多个阀，其中至少一个构置成用于在所述燃烧器与所述流路中至少一个之间建立所述选择性的流体连通。

26.根据权利要求25所述的装置，其中所述蓄热物质位于所述燃烧器与所述燃料电池之间以便减少其间的热连通。

27.一种能量产生装置，包括：

至少一个燃料电池，包括阳极、阴极和置于所述阳极与阴极之间的薄膜；

阳极流路，构置成用于将所述阳极联接至燃料源上；

阴极流路，构置成用于将所述阴极联接至可加压空气源上；

催化燃烧器，与两个所述流路保持选择性的流体连通，所述燃烧器拥有使得由与所述燃料电池中的操作瞬态相对应的燃料与空气之间的反应所产生的热基本上被所述燃烧器吸收的蓄热物质，所述燃烧器包括：

多个反应物导管，导管中至少一个在其中限定了多个孔以便促进将所述反应物中的相应反应物分阶段引入所述燃烧器中；以及

至少部分地由所述反应物导管限定的反应室，所述反应室包括放置于其至少一部分上的催化剂；

多个阀，其中至少一个构置成用于在所述燃烧器与所述流路中至少一个之间建立所述选择性的流体连通，所述多个阀包括：

构置成适于选择性地将所述燃料或空气之一引入所述燃烧器中的惰性化阀；以及

构置成适于选择性地将所述燃料引入所述燃烧器或所述阳极中的至少一个中的流动阀；

放置于所述燃烧器下游的传感器；以及

对由所述传感器发送的信号做出响应的控制器，所述控制器被构置成用于在所述燃烧器中的所述燃料与空气之间保持基本上为化学计量的比率。

28.一种清洁燃料电池系统的方法，所述方法包括：

构置所述系统以便包括：

至少一个燃料电池，包括阳极、阴极和置于所述阳极与阴极之间的薄膜；

阳极流路，构置成用于将所述阳极联接至第一反应物源上；

阴极流路，构置成用于将所述阴极联接至第二反应物源上；

燃烧器，与两个所述流路保持选择性的流体连通，所述燃烧器包括反应室，反应室构置成用于促进所述第一反应物和第二反应物分阶段混合；以及

多个阀，其中至少一个构置成用于在所述燃烧器与所述流路中至少一个之间建立所述选择性的流体连通，所述多个阀包括：

构置成适于选择性地将所述第一或第二反应物之一引入所述燃烧器中的惰性化阀；以及

构置成适于选择性地将所述第一反应物引入所述燃烧器或所述阳极中的至少一个中的流动阀；

调节所述惰性化阀或所述流动阀中的至少一个以便使所述燃烧器中的所述第一和第二反应物获得基本上为化学计量的混合物；

使所述基本上为化学计量的混合物反应以便产生基本上惰性的流体；

将所述基本上惰性的流体引入所述阳极或阴极中的至少一个中，以便使得先前驻留于其中的任何流体基本上被从其移走；以及

调节所述惰性化阀或所述流动阀中的至少一个以便使所述系统稳定。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述燃烧器由蓄热物质构成因此由所述反应产生的热基本上被所述燃烧器吸收，从而将伴随所述反应的温度增加保持于预定量以下。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述惰性化阀被沿流动方向置于所述第二反应物的所述源与所述燃烧器之间，而所述流动阀被沿流动方向置于所述阳极流路中。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述调节步骤中的第一步包括打开所述惰性化阀，从而使得所述引入步骤在所述阳极中获得降低的电压电势，而所述调节步骤中的第二步包括一旦已经达到所述降低电压电势后关闭所述流动阀。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述降低电压电势高达0.5伏。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述降低电压电势高达0.4伏。

34.根据权利要求31所述的方法，其中所述稳定化步骤包括使所述第二反应物流入所述阳极至少直到所述阳极基本上得到清洁为止。

35.根据权利要求30所述的方法，其中所述系统还包括置于所述燃烧器下游的传感器和响应于由所述传感器发送的信号的控制器，所述控制器构置成用于将所述基本上为惰性的流体保持于其基本上为惰性的状态。

36.根据权利要求30所述的方法，还包括在所述调节步骤中的第一步之前使所述第二反应物流入所述惰性化阀中。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述调节步骤中的第二步包括关闭所述惰性化阀。

38.根据权利要求29所述的方法，其中所述惰性化阀被沿流动方向置于所述第一反应物源与所述燃烧器之间，而所述流动阀被沿流动方向置于所述阳极流路中。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述多个阀还包括在所述阴极流路中置于燃料电池下游并且沿流动方向在所述燃料电池上游联接于所述阳极流路的放泄阀。

40.根据权利要求39所述的方法，其中所述第一调节步骤包括关闭所述流动阀和打开所述惰性化阀，从而使得所述引入步骤在所述阴极中获得降低的电压电势，并且所述引入步骤包括一旦已经达到所述降低电压电势后打开所述放泄阀以便容许所述基本上为惰性的流体流过所述阳极。

41.根据权利要求40所述的方法，其中所述降低电压电势高达0.5伏。

42.根据权利要求41所述的方法，其中所述降低电压电势高达0.4伏。

43.根据权利要求39所述的方法，其中所述系统还包括置于所述燃烧器下游的传感器和响应于由所述传感器发送的信号的控制器，所述控制器构置成用于将所述基本上为惰性的流体保持于其基本上为惰性的状态。

44.根据权利要求40所述的方法，其中所述调节步骤中的第二步包括关闭所述惰性化阀以便利用所述第二反应物清洁所述阳极和阴极中的至少一个。

45.根据权利要求44所述的方法，包括一旦已经清洁了所述阳极与阴极中的至少一个后停止所述第二反应物的流动的附加步骤。

46.根据权利要求44所述的方法，还包括：

将回压阀放置于所述放泄阀的下游；以及

关闭所述回压阀以便促进流体从所述阴极流路流向所述阳极。

47.根据权利要求39所述的方法，其中所述调节步骤中的第二步包括关闭所述流动阀然后关闭所述惰性化阀，所述方法还包括：

在所述调节步骤中的第一步之前使所述第二反应物流动；以及

在所述第二调节步骤之前关闭所述放泄阀。

48.根据权利要求47所述的方法，其中在所述第二调节步骤之前的关闭所述放泄阀的所述步骤之前，使足够的所述基本上为惰性的流体流过所述阳极，以便使得在所述基本上为惰性的流体进行所述流动之前驻留于所述阳极中的所有流体基本上移走。

49.根据权利要求47所述的方法，还包括：

将回压阀放置于所述阴极流路中所述放泄阀的下游；以及

在所述第二调节步骤之前，将所述回压阀放置于打开位置。

50.根据权利要求38所述的方法，其中所述多个阀还包括放泄阀，其被构置成用于将位于所述燃烧器上游的所述阴极流路选择性地沿流动方向联接至位于所述燃料电池上游的所述阳极流路。

51.根据权利要求50所述的方法，其中所述第一调节步骤包括关闭所述流动阀和打开所述惰性化阀，从而使得所述引入步骤在所述阴极中获得降低的电压电势，并且所述引入步骤包括一旦已经达到所述降低电压电势后打开所述放泄阀以便容许所述第二反应物流过所述阳极。

52.根据权利要求51所述的方法，其中所述降低电压电势高达0.5伏。

53.根据权利要求52所述的方法，其中所述降低电压电势高达0.4伏。

54.根据权利要求50所述的方法，其中所述系统还包括置于所述燃烧器下游的传感器和响应于由所述传感器发送的信号的控制器，所述控制器构置成用于将所述基本上为惰性的流体保持于其基本上为惰性的状态。

55.根据权利要求51所述的方法，其中所述调节步骤中的第二步包括关闭所述惰性化阀。

56.根据权利要求55所述的方法，包括一旦已经清洁了所述阳极后停止所述第二反应物的流动的附加步骤。

57.根据权利要求50所述的方法，还包括另外的步骤：

在所述调节步骤中的第一步之前将所述放泄阀放置于关闭位置；以及

在所述放置步骤之后开始所述第二反应物的流动。

58.根据权利要求56所述的方法，其中所述调节步骤中的第二步包括打开所述流动阀并关闭所述惰性化阀。

59.根据权利要求29所述的方法，其中构置所述系统的所述步骤包括将压力源沿流动方向联接至所述第二反应物的所述源上的附加步骤。

60.一种清洁燃料电池系统的方法，所述方法包括：

构置所述系统以便包括：

至少一个燃料电池，包括阳极、阴极和置于所述阳极与阴极之间的薄膜；

阳极流路，构置成用于将所述阳极联接至第一反应物源上；

阴极流路，构置成用于将所述阴极联接至第二反应物源上；

燃烧器，与两个所述流路保持选择性的流体连通，所述燃烧器拥有使得由反应过程所产生的热基本上被所述燃烧器吸收的蓄热物质，从而将伴随所述反应的温度增加保持于预定量以下；以及

多个阀，其中至少一个构置成用于在所述燃烧器与所述流路中至少一个之间建立所述选择性的流体连通，所述多个阀包括：

构置成适于选择性地将所述第一或第二反应物之一引入所述燃烧器中的惰性化阀；以及

构置成适于选择性地将所述第一反应物引入所述燃烧器或所述阳极中的至少一个中的流动阀；

调节所述惰性化阀或所述流动阀中的至少一个以便使所述燃烧器中的所述第一和第二反应物获得基本上为化学计量的混合物；

使所述基本上为化学计量的混合物反应以便产生基本上惰性的流体；

将所述基本上惰性的流体引入所述阳极或阴极中的至少一个中，以便使得先前驻留于其中的任何流体基本上被从其移走；以及

调节所述惰性化阀或所述流动阀中的至少一个以便使所述系统稳定。

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