未密封的阴极燃料电池系统的停机操作技术方案

本发明专利技术涉及未密封的阴极燃料电池系统的停机操作。描述了燃料电池系统的停机过程。在一种实施方式（３００）中，负载（２１５）循环接合和解除在燃料电池组（２０５）两端，以耗尽该系统的燃料电池（２０５）可得到的燃料。可以使用电压和／或电流阈值来确定何时接合和解除负载（２１５）以及何时终止该停机操作。在另一种实施方式（５００）中，接合并调节可变负载（４０５）以耗尽该系统的燃料电池（２０５）可得到的燃料。如前所述，可以使用电压和／或电流阈值来确定何时调节负载（４０５）以及何时终止该停机过程。在另一种实施方式中，在该停机过程的一些部分期间，可以周期性接合和解除负载（２１５或４０５），而在该停机过程的其余部分期间，可以接合但调节负载。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于操作燃料电池系统的系统和方法，更特别地涉及用于控制燃料电池系统停机操作的系统和方法。
技术介绍
燃料电池是将燃料中的化学能直接转变成电能的电化学 装置。在典型操作的电池中，将燃料连续供给阳极(负电极)，将氧 化剂连续供给阴极(正电极)。在电极(即阳极和阴极)处发生电化 学反应，产生通过将电极分隔开的电解质的离子流，同时驱动互补电 流通过负栽做功(例如驱动电动机或为光源提供能量)。尽管燃料电 池在原理上可以使用许多燃料和氧化剂，但目前开发中的大多数燃料 电池都使用气态氢作为阳极反应物(也称为燃料)，使用以空气形式 的气态氧作为阴极反应物(也称为氧化剂)。为了得到应用所需的必需的电压和电流，可以将单独的燃 料电池电连接以形成"组"，其中该组用作为负栽提供能量的单一元 件。短语"其余装置"是指那些提供供入流供给和调节、热管理、电 源调节和其他辅助和界面功能的组件。燃料电池组和其余装置一起构 成了燃料电池系统。参照图1A，燃料电池100(以从上到下的视角示出)经配 置以包括阳极入口 105、阳极出口 110、阴极入口 115、阴极出口 120、 冷却剂入口 125和冷却剂出口 130。参照图1B，如上所述燃料电池(例 如燃料电池100)可以堆积以产生燃料电池组135，其中将各电池的 阳极、阴极和冷却剂通道都匹配。燃料电池系统独有的 一 个操作问题涉及系统启动和停机 操作。与内燃发电装置不同，燃料电池电极如果暴露于不适当的气体 和/或气体混合物，可能会受到损坏。例如，如果不正确操作，阳极暴 露于空气中可能会严重损坏电池。类似地，产生气体混合物(例如氢 气-空气溶液)的停机操作可能在随后的启动操作中对燃料电池系统产 生不利影响。
技术实现思路
总的来讲，本专利技术提供了燃料电池系统的停机方法。根据 一种实施方式的方法包括停止(halting)燃料流动，然后使惰性气体(例 如氮气)开始流动到燃料电池组的阳极，同时保持氧化剂到阴极的流 动。然后在燃料电池组两端循环接合(engage)和解除(disengage)负栽以 耗尽该系统的燃料电池可得到的燃料。可以使用电压和/或电流阈值来 确定何时接合和解除负栽以及何时终止(terminate)该停机操作。 一旦 该燃料电池基本上耗尽燃料，可以使氧化剂流体流过接合有负栽的阳 极和阴极，直至达到第二电压和/或电流阈值。然后可以停止该氧化剂 流体流并解除负栽。在另一实施方式中，接合并调节可变负栽，以耗 尽该系统的燃料电池可得到的燃料。如上所述，可以使用电压和/或电 流阈值来确定何时调节负栽以及何时终止该停机过程。在另一实施方 式中，在该停机过程的一些部分期间，可以使负栽周期性接合和解除， 在该停机过程的其余部分期间，可以接合但调节负载。根据本专利技术的方法可以通过执行编制(organize)到 一个或 多个程序模块中的指令的可编程控制装置实施。可编程控制装置包括 专用硬件控制装置以及一般用途的处理系统。用于实施根椐本专利技术的 任何方法的指令可以切实地体现于(tangibly embodied in)任何适合的 存储装置。附图说明图1显示了根据传统现有燃料电池技术的单一燃料电池 (1A)和燃料电池组(1B)的结构(layout)。图2显示了根据本专利技术的一种实施方式的燃料电池系统。 图3显示了根据本专利技术的一种实施方式的停机过程。 图4显示了根椐本专利技术的另一种实施方式的燃料电池系统。图5显示了根据本专利技术的另一种实施方式的停机过程。具体实施例方式以下描述用于使任何本领域技术人员能够制造和使用要 求保护且在下面讨论的特定实例的内容中提供的本专利技术，所述特定实例的变化对本领域技术人员将是容易显而易见的。更特别地，本专利技术的示例性实施方式是就使用气态氢(H2)作为燃料、空气(02和氮气 Tsb的混合物)形式的氧气(02)作为氧化剂和质子交换或聚合物电解 质膜("PEM，，)电极组件的燃料电池进行描述的。然而，后附的权 利要求并不意于由所公开的实施方式所限定，而是给予了它们的与此 处公开的原理和特征相一致的最宽的范围。参照图2，在本专利技术的一种实施方式中，燃料电池系统200 包括燃料电池组205、其余装置210、负栽215和开关220。燃料电池 组205包括多个具有未密封的阳极和阴极的如图1B中所示排列的燃 料电池。此处所用的术语"未密封的"是指指定元件(例如阳极)不 能保持真空，而且在不操作时基本上处于环境压力。如下面更详细的 讨论，在一种实施方式中，开关220定期循环(即关闭和打开)以允 许该电池组的阳极处和其中存在的基本上所有燃料都以安全、便捷和 相对快速的方式消耗掉。参照图3,在一种实施方式中，通过终止H2流并然后使 N2或一些其他惰性气体开始流过阳极(块305 )而开始停机操作300。 在一种实施方式中，以这种方式使用单一阳极体积的氮气。在另一种 实施方式中，在该过程的整个持续期间保持氮气流。在另一种实施方 式中，不使用氮气清扫。以这种方式使用氮气总的目的是去除或吹扫 阳极处存在的大量燃料，尽管将认识到相对大量的H2可能保持吸附 在该电极的催化剂中。总的来讲，如果可得到氮气，那么以这种方式 使用的氮气的最小量将是一个阳极体积，而最大的氮气流量将持续氢 气消耗的整个期间。在开始N2吹扫之后并由于在阴极上持续的02/空 气流，关闭开关220以接合负栽215 (块310)。在实际中，负载215 的接合可以在开始N2吹扫操作之前、同时或之后进行。将认识到其余装置210包括燃料电池组传感器，例如用于 监控燃料电池组205中各、大多数或一些燃料电池的活性(activity) 的电压和/或电流传感器。这些传感器可以根据本专利技术使用而确定各放 电循环何时完成(块315)以及所有放电循环何时完成(块325 )。总的来讲，负栽215接合时，各燃料电池两端的电压将随 着电池阳极处和内部的燃料消耗而降低。对于那些监控电池电压的实 施方式，在测定的电压仍高于特定第一阈值时(块315的"否"分支)，负栽215保持接合。当测定的电压降到该第一特定阈值时(块315的 "是，，分支)，通过开关220解除负栽215 (块320)。如果还未完 成所有放电循环(块325的"否"分支)，提供暂停以使燃料电池电 压平衡(块330 )，然后再次接合负栽215 (块310)。当监控的燃料 电池电压表明所有放电循环都已完成时(块325的"是"分支)，停 止N2流过阳极(如果仍为活性)，接合负栽215，并开始通过阳极的 02/空气流动(同时保持通过阴极的02/空气流动)，直至所有监控的 燃料电池电压都低于另一特定阈值。这时燃料电池系统200准备停机， 可以终止所有02/空气流和其他监控(块335 )。在一种实施方式中，当任何监控的(通常最小的)燃料电 池电压降到特定值时，认为循环完成。示例性的特定值包括O、 5、 10、 20、 50和75毫伏("mv")。以相似的方式，当任何监控的(通常 最小的)燃料电池电压达到特定的下限值(例如0、 5、 30、 50或75mv) 且最大监控的燃料电池电压等于或低于特定电压上限(例如100、 150 或200mv)时，可以认为所有放电循环都已完成。在另一种实施方式 中，监控总电池组电压以确定本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池系统停机方法，包括：　停止燃料流动到多个燃料电池，各燃料电池具有阳极和阴极；　使惰性气体流过该阳极，并使氧化剂气体流过该阴极；　在燃料电池两端接合负载；　当该燃料电池的第一操作参数满足第一标准时解除负载；　 　重复接合和解除燃料电池两端的负载，直至该燃料电池的第二操作参数满足第二标准；和　当检测到第二操作参数时终止该停机。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GM罗布，HA加斯泰格，B拉克什马南，PT于，SG格贝尔，FT沃纳，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]