本发明专利技术涉及密封的阳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（４００）中，停止燃料（Ｈ↓［２］）和氧化剂（空气）的流动，密封系统的阳极区（３０５）。然后将负载（２１５）接合在该系统的燃料电池组（２０５）两端，以耗尽该电池组的密封的阳极（３０５）中许多燃料。监控电池组（２０５）以确定何时应当解除负载（２１５）。一旦负载解除，确立该系统的阳极和阴极区之间的流体相通。由于其中Ｈ↓［２］消耗而在阳极区（３０５）中产生的真空将富氮气体从阴极区（３１０）吸入阳极区（３０５）。当已经从阳极区（３０５）消耗了基本上所有的Ｈ↓［２］时，在阳极和阴极区之间不存在压差，切断两者之间的流体相通。
【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 流通过负载做功(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"，其中该组用作为负载提供能量的单一元 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,如上所述燃并+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(H2)和氧化剂(空气) 流动到该系统的燃料电池组，然后密封该电池组的阳极区。然后在该 电池组两端接合(engage)负载，以耗尽该电池组的燃料电池的阳极处 的许多(muchof)燃料和阴极处的基本上所有氧气。 一旦该燃料电池基 本上耗尽燃料，则打开该电池组的阳极和阴极区之间的流体相通。因 为该电池组的阳极区是密封的，因此其中燃料的消耗产生真空。该真 空将吸取(pull)富N2的气体从阴极区进入阳极区。该行为(action)还将 吸取额外的空气(氧化剂)进入该阴极区。为使引入阳极区的富02 气体(空气)最小化，已经发现允许气体从阴极在远离允许空气流入 阴极区位置的区域流入阳极是有益的。当阳极区中消耗掉基本上所有 的H2时，终止燃冲牛电池系统的阳才及和阴才及区之间的流体相通。在一种实施方式中，在放电操作期间(即当负载接合时) 可以监控一些或所有该电池组的燃料电池两端的电压，以确定何时解 除(disengage)负载。可以使用任何指示放电状态的燃料电池操作参数。 例如可以使用电池电压(绝对值和/或改变速率)和电流(绝对值和/ 或改变速率)。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或控制单元实施。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 据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(IB)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以示意图方式显示了根据本专利技术的一种实施方式的燃 泮牛电池的配置。图4以流程图方式显示了根据本专利技术的一种实施方式 停 机操作。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 N2的混合物)形式的气态氧(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。总的来讲，根据本专利技术的停机操作使用外部负载和在密封 的阳极燃料电池系统中的阳极-阴极转换阀(cross-over valve)用于消耗 残余燃料并在燃料和氧化剂气流终止(termination)之后将贫氧空气可 控引入阳极。此处所用的术语"密封的"是指指定元件(例如阳极) 以其可以抽真空(或部分真空)的方式与环境隔离。本领域的普通技 术人员将认识到甚至在密封的阳极(阴极)系统中，在停机之后随着 时间过去，阳极(阴极)压力可以变为环境压力。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、负载215、开关220和转换阀 225。燃料电池组205包括多个如图1B中所示排列以使其阳极和阴极 重合的(coincident)燃料电池。其余装置210尤其包括隔离阀、测定 一些或所有的燃料电池的操作特征的传感器和用于指导燃料电池系 统200根据本专利技术操作的控制单元。示例性的燃料电池操作特征包括 但不局限于电压和电流。负载215和开关220被提供用于可控耗尽燃 料电池阳极的燃料。转换阀225被提供用于将贫氧气体从该燃料电池 的阴极体积中可控引入该燃料电池的阳极区(参见下面的讨论)。参照图3，示例性的燃料电池300 (来自燃料电池组205 ) 包括由膜电^l组件("MEA" )315分隔开的阳才及区305和阴4及区310。 燃料电池300 (和燃料电池组210中的每个电池)连接燃料入口隔离 阀320、燃料出口隔离阀325、阴极出口止回阀(check valve) 330和 转换阀225。隔离阀320和325允许燃料(H2气)流过阳极区305。 这些阀也可以用于对阳极区305的基本上密封。阴极止回阀330防止氧化剂(02气/空气)流回到阴极区310。如下面详细描述的那样，转 换阀225提供用于在根据本专利技术的燃料电池系统停机操作期间将富 N2 (贫02 )气体吸取到阳极区305内的机制。在以下描述中，将参考其中示出单一燃料电池的图3的组 件。然而，应当认识到燃料电池组205中的各电池都拥有共用的阳极 和阴极区或体积。进一步将认识到阳极隔离阀320和325和阴才及止回 阀330经配置以为燃料电池组205内的所有电池^是供隔离和防止回 流。最后，转换阀225允许燃料电池组205内的所有电池的阳极和阴 极区之间的流体相通。参照图4，在本专利技术的一种实施方式中，通过使用隔离阀 320和325密封阳极区305 (块405 )开始停才几4乘作400。然后，停止 氧化剂流到阴极区310 (块410),使用开关220接合负载215 (块 415),停止燃料流(块420)。接合负载215总的目的是提供完整电 路以将阳极存在的所有/大多数H2 (燃料)和阴极存在的所有/大多数 氧气消耗掉。当所有或大多数氧化剂在阴极消耗时(块425的"是" 分支)，打开转换阀225 (块本文档来自技高网...
【技术保护点】
燃料电池系统停机方法，该燃料电池系统具有包括多个燃料电池的燃料电池组，该燃料电池经设置以形成阳极区和阴极区，该方法包括： 密封阳极区； 停止氧化剂流动到阴极区； 在燃料电池组两端接合负载； 停止燃料流动到阳极区； 打开阳极区和阴极区之间的流体相通； 当燃料电池操作特征满足第一阈值时，解除负载并关闭阳极区和阴极区之间的流体相通。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：GM罗布，
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]
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