采用阴极循环回路的燃料电池的关闭和启动制造技术

用于操作燃料电池系统的方法和装置。一条与燃料电池阴极相连的循环回路确保通过该阴极的流体进行再循环，由此使在再循环流体中残留的氧与已被引入到所述循环回路中的燃料发生反应，直至基本上所有氧都反应完，在阴极和相关的流动通路中留下基本上无氧的主要为氮的化合物。此后，这一化合物可被重新引导以对在燃料电池的阳极和相关的流动通路中剩留的残留氢进行吹扫。同时，本发明专利技术可适用于系统运行的任何时期，本发明专利技术对于与启动和关闭燃料电池系统相关联的运行状态特别具有价值，从而防止产生可使燃料电池催化剂或催化剂载体受到损坏的高电压电位。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用阴极循环回路的燃料电池的关闭和启动
本专利技术主要涉及运行燃料电池系统，更具体而言，本专利技术涉及以如下方式启动和关闭燃料电池，以使催化剂载体材料的氧化减至最少并保持系统的简单性。
技术介绍
使用催化剂来促进燃料电池中氢与氧之间的电化学反应是已公知的。催化剂一般以分布在载体上的贵金属粉末的形式存在，所述载体本身是更大的碳或者碳基颗粒的粉末。这种基于粉末的方法能够显著增大能够发生上述反应的表面积。尽管这样的构造提供了一种高效、紧凑的反应器，所述反应器通过将相对昂贵的催化剂(比如铂)涂布在较大面积上导致功率输出得到显著提高，同时降低了原材料成本，但是，其功效可能会受到一定的操作模式的限制。比如，即使当减少或者停止对燃料电池中产生的电流的需求时，残留的氧与氢反应物继续产生开路电压(一般大约0.9V或者更高)，所述开路电压可能会导致催化剂和催化剂载体产生氧化，由此缩短了燃料电池的寿命。更令人关注的是，在燃料电池的一个电极(比如阳极)上存在氢-空气界面，而空气存在于另一个电极(比如阴极)上，这将导致产生1.4V到1.8V之间的电位。这种增高的电位加重了上面提到的催化剂和催化剂载体材料的腐蚀。这种情况可能发生在启动(当空气被氢吹扫清除时)以及在关闭(当空气进入阳极而氢被跨界(cross-over)消耗时)期间。与发生在这些瞬态之间的相对稳态运行相比，本专利技术人已经发现了该运行瞬态，尤其是重复进行的系统的启动和关闭，更快地缩短了燃料电池堆的寿命。一种减轻残留燃料和氧化剂问题的方法是在电池关闭后立即注入惰性气体以对阳极流动通路和阴极流动通路进行吹扫。该方法可以通过，比如向阳极流动通路和阴极流动通路中注入车载氮气而实现。但是，这尤其是对于许多基于车辆的燃料电池系统而言是不利的，这是由于车载附加气体氮的供应装置将占据需要牺牲可以用于乘客的宝贵-->的车辆空间、舒适性或者安全性。另一种方法是将空气引入阳极流动通路以使空气可与残留的氢发生反应。通过使这一混合物进行再循环，氢可以被点燃或者进行催化反应直到基本不存在。通过这种方法，不需要车载氮吹扫气体。但是，该系统的不利之处在于需要复杂的系统元件构成，包括连接到与精确的控制机构连接在一起的复杂的阀网络上的附加泵。因此，需要一种能够不必采用需要明显增加重量、体积或者复杂性等方法就可以进行启动和关闭的燃料电池系统。
技术实现思路
本专利技术可以满足这些需要，在本专利技术中公开了一种燃料电池系统和一种操作这一系统的方法，所述方法可以避免运行瞬态对系统元件造成有害影响。根据本专利技术的第一个方面，公开了一种运行燃料电池系统的方法。该燃料电池系统包括至少一个燃料电池，所述燃料电池至少包括阳极、阴极和设置在阳极和阴极之间的膜，此外还包括连接阳极和燃料源的阳极流动通路和连接阴极和氧源的阴极流动通路。上述流动通路可包括设置在燃料电池内部或者周边的对流体流动而言必要的支持设备，包括管道系统和相关的导管。阀、泵和相关的元件尽管也构成了流动通路的一部分，将会单独进行讨论以更清楚地识别它们在相应流动通路中的作用。在本系统中，在阴极流动通路中形成循环回路，并且结合阴极流动通路与阳极流动通路之间的连通性，提供一种不在与未经稀释的纯化学计量的燃烧相关联的高温下产生惰性气体的装置。尽管可以从本专利技术获益的一种燃料电池是质子交换膜(PEM)燃料电池，但是，本领域的技术人员应该意识到使用其它燃料电池构造也在本专利技术的范围内。通过以下步骤实施本专利技术的操作运行：断开所述燃料源与所述阳极的连接，以使燃料流被切断；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路，以使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的，然后将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。术语“氧源”以及其变型应该作广义理解，包括被构造用以提供氧或者大量含氧化合物、混合物等的任何装置、容器或者环境(包括室温环境)。-->可选择地，所述方法包括流体连接压力源与所述燃料和氧源中的至少一个的步骤。这种压力源(例如空气压缩机)可用以对包含在循环回路内的流体进行加压。所述再循环步骤可进一步包括关闭阴极出口阀并打开阴极流动通路再循环阀，所述两种阀皆设置在循环回路内。在一种形式中，将氧基本耗尽的气体引入阳极流动通路的步骤可包括打开流体连接阳极流动通路和阴极流动通路的吹扫阀。优选地(但不是必须地)，吹扫阀被设置在阴极与阴极出口阀之间。将燃料引入循环回路中的步骤可包括调节流体连接阳极流动通路和阴极流动通路的燃料惰化阀。与前述吹扫阀一起，该阀在两条流动通路之间提供了直接的桥路。所述系统可至少限定系统产生电能的第一工作状态、系统不产生电能的第二工作状态、和瞬时处于第一工作状态和第二工作状态之间的第三工作状态。这种瞬态运行包括那些系统功率输出发生变化的运行期间。与本专利技术特别有关的两个时间的这种操作是在系统启动和关闭的过程中。因而，瞬态运行与稳态运行不同，在稳态运行时，系统输出基本是恒定的。在一种操作运行模式中，断开连接、再循环、反应以及两个引入步骤构成了第三工作状态。附加步骤包括一旦氧基本耗尽的流体已大体上对阳极流动通路进行吹扫，那么用燃料充注阳极流动通路。在这种情况下，所述系统已准备好处于正常状态(例如与前述第一工作状态相关联的状态)。实施这一最后步骤的一种方法是流体隔开阳极流动通路与阴极流动通路，并且流体连接燃料源与阳极。例如所述流体隔开阳极流动通路与阴极流动通路的步骤包括关闭前面讨论的吹扫阀。可通过关闭前面讨论的燃料惰化阀而实施所述流体隔开阳极流动通路与阴极流动通路的步骤。可通过打开设置在阳极流动通路内的燃料供应阀而实施所述流体连接燃料源与阳极的步骤。可对燃料的流量进行调节直至系统正常运行处于其第一工作状态。另一种选择包括在正常运行之前从所述氧源向所述阳极中释放流体，由此提供了附加加热从而帮助所述系统在低温环境中启动期间更快速地达到最佳工作温度(例如在60℃和80℃之间)。该释放步骤可包括打开吹扫阀。相似地，在可比过程中，也从所述燃料源向所述阴极中释放燃料，这同样有助于进行低温启动。为了实现这一目的，燃料惰化阀被打升。-->另一种可选择步骤包括调节引入阴极流动通路中的燃料量以保持在进行吹扫步骤期间再循环流体中具有基本的燃料-氧混合化学计量比。例如，可以感应到存在于再循环流体中的氧的量，从而按照保持基本的化学计量比所需的量对燃料惰化阀进行调节。所述系统中可包括控制器，使得可自动执行对感应到的氧含量的响应，例如通过自动操纵一个或多个前述阀实现。对于反应物而言，所述燃料优选是富氢的，其实例可以是甲醇、氢气、甲烷(例如天然气)和汽油。在来自燃料源的燃料不是相当纯的氢的情况下，可使用燃料处理系统(例如甲醇重整器或本领域的技术人员已公知的其它这种类型的反应器)以向燃料电池供应大体上纯的氢。优选的氧源为空气。优选地，所述反应步骤发生在与阴极流动通路流体相连的燃烧器和设置在阴极上的催化剂之一或二者全部中。附加步骤可以是冷却在反应步骤期间产生的产物。这可通过将冷却器设置在燃烧器与燃料电池之间而实现。将氧基本耗尽的流体引入阳极流动通路中的步骤可包括流体连接位于阴极下游的阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运行燃料电池系统的方法，所述方法包括：构造所述系统，以使其包括：至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；和被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；断开所述燃料源与所述阳极的连接；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的；以及将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-9-17 10/664,3291、一种运行燃料电池系统的方法，所述方法包括：构造所述系统，以使其包括：至少一个包括阳极、阴极和设置在所述阳极和阴极之间的膜的燃料电池；被构造用以连接所述阳极和燃料源的阳极流动通路；和被构造用以连接所述阴极和氧源的阴极流动通路，所述阴极流动通路包括设置在其中的循环回路；断开所述燃料源与所述阳极的连接；通过所述循环回路使设置在所述阴极流动通路中的流体进行再循环；将燃料引入所述循环回路；使所述燃料与所述再循环流体进行反应直到所述再循环流体变为基本上是氧消耗净的；以及将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路，从而使得基本上从其中吹扫除去先前存在于所述阳极流动通路中的所有流体。2、根据权利要求1所述的方法，其中所述构造所述系统的步骤包括流体连接压力源与所述燃料源和所述氧源中的至少一个的附加步骤。3、根据权利要求2所述的方法，包括对包含在所述循环回路内的流体进行加压的附加步骤。4、根据权利要求1所述的方法，其中所述再循环步骤进一步包括关闭设置在所述循环回路内的阴极出口阀。5、根据权利要求4所述的方法，其中所述再循环步骤进一步包括打开设置在所述循环回路内的阴极流动通路再循环阀。6、根据权利要求1所述的方法，其中所述将氧基本耗尽的气体引入所述阳极流动通路的步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀。7、根据权利要求6所述的方法，其中所述吹扫阀被设置在所述阴极与阴极出口阀之间。8、根据权利要求1所述的方法，其中所述将燃料引入所述循环回路中的步骤包括调节流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路-->的燃料惰化阀。9、根据权利要求1所述的方法，其中所述系统至少限定所述系统产生电能的第一工作状态、所述系统不产生电能的第二工作状态、和瞬时处于所述第一工作状态和所述第二工作状态之间的第三工作状态。10、根据权利要求9所述的方法，其中所述断开连接、再循环、反应以及两个引入步骤构成了第三工作状态。11、根据权利要求9所述的方法，进一步包括一旦所述氧基本耗尽的流体已大体上对所述阳极流动通路进行吹扫，那么用燃料充注所述阳极流动通路的步骤。12、根据权利要求11所述的方法，其中所述一旦所述氧基本耗尽的流体已大体上对所述阳极流动通路进行吹扫，那么用燃料充注所述阳极流动通路的步骤包括流体隔开所述阳极流动通路与所述阴极流动通路，并且流体连接所述燃料源与所述阳极。13、根据权利要求12所述的方法，其中所述流体隔开所述阳极流动通路与所述阴极流动通路的步骤包括关闭设置在二者之间的吹扫阀。14、根据权利要求12所述的方法，其中所述流体隔开所述阳极流动通路与所述阴极流动通路的步骤进一步包括关闭设置在二者之间的燃料惰化阀。15、根据权利要求12所述的方法，其中所述流体连接所述燃料源与所述阳极的步骤包括打开设置在所述阳极流动通路内的燃料供应阀。16、根据权利要求11所述的方法，包括使所述系统设置处于所述第一工作状态的附加步骤。17、根据权利要求16所述的方法，包括调节所述燃料的流量直至达到稳态运行的附加步骤。18、根据权利要求11所述的方法，包括从所述氧源向所述阳极中释放流体从而有助于所述第一工作状态的附加步骤。19、根据权利要求18所述的方法，其中所述释放步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的吹扫阀。20、根据权利要求11所述的方法，包括从所述燃料源向所述阴极-->中释放燃料从而有助于所述第一工作状态的附加步骤。21、根据权利要求20所述的方法，其中所述向所述阴极中释放燃料的步骤包括打开流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀。22、根据权利要求1所述的方法，包括调节引入所述阴极流动通路中的燃料量以保持所述再循环流体中具有基本的燃料-氧混合化学计量比至少直至所述氧在所述反应步骤中大体上被消耗掉的附加步骤。23、根据权利要求22所述的方法，其中所述调节燃料量的步骤包括：感应到存在于所述再循环流体中的氧的量，并且按照保持所述基本的化学计量比所需的量对流体连接所述阳极流动通路和所述阴极流动通路的燃料惰化阀进行调节。24、根据权利要求1所述的方法，其中所述燃料是富氢的。25、根据权利要求24所述的方法，其中所述燃料从包括甲醇、氢气、甲烷和汽油的组中进行选择。26、根据权利要求1所述的方法，其中所述氧源包括空气。27、根据权利要求1所述的方法，其中所述反应步骤发生在与所述阴极流动通路流体相连的燃烧器中。28、根据权利要求27所述的方法，包括冷却在所述反应步骤期间产生的产物的附加步骤。29、根据权利要求28所述的方法，包括通过将冷却器设置在所述燃烧器与所述至少一个燃料电池之间而实现所述冷却步骤的附加步骤。30、根据权利要求1所述的方法，其中所述反应步骤发生在设置在所述阴极上的催化剂上。31、根据权利要求1所述的方法，其中所述将氧基本耗尽的流体引入所述阳极流动通路中的步骤包括流体连接位于所述阴极下游的所述阴极流动通路与所述阳极中的进口部位。32、根据权利要求1所述的方法，包括一旦所述先前剩留的燃料已基本被吹扫除去，用空气充注所述阳极流动通路的附加步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：SG格贝尔，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]