避免因慢速氢／空气入侵率而引起碳蚀的关闭策略制造技术

本发明专利技术涉及避免因慢速氢／空气入侵率而引起碳蚀的停止策略。提供一种燃料电池系统，其包括：具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极供应歧管，该阳极供应歧管在氢源与所述阳极之间提供流体连通；与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极排出歧管；以及与所述燃料电池的所述阳极流体连通的风扇，其中该风扇控制在所述燃料电池系统关闭之后通过所述燃料电池阳极的流体流动。

【技术实现步骤摘要】
避免因慢速氢/空气入侵率而引起碳蚀的关闭策略
本专利技术涉及氢燃料电池。更具体地，本专利技术涉及燃料电池系统以及用于最小化该燃料电池系统中的碳蚀的方法。
技术介绍
燃料电池已经作为一种清洁、有效且环保的能源而被建议用于电动车辆和各种其他应用。具体地说，燃料电池已经被认为是现代车辆所用的传统内燃机的有潜力的替代品。典型的燃料电池公知为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基本构件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括支撑在碳粒子上并与离聚物混合的细分的催化剂，例如铂。电解质膜夹在阴极和阳极之间，从而形成膜电极组件(MEA)。MEA通常设置在多孔扩散介质(DM)之间，该多孔扩散介质利于传输气态反应物以用于电化学燃料电池反应，所述气态反应物通常为源于空气的氢和氧。单独的燃料电池能连续地堆叠在一起以形成燃料电池组。燃料电池组能产生足以为车辆供能的电量。在非操作期间，一定量的空气累积在燃料电池组的阳极。当启动燃料电池组时，氢被供应给阳极。氢与空气接触从而形成通过阳极上方的“氢-空气前锋”。该氢-空气前锋公知会降低燃料电池性能。具体地说，当阳极上的氢和空气两者都存在时，会导致看见氢的阳极一部分与看见空气的阳极一部分之间的局部短路。该局部短路导致电流逆流从而增大阴极界面势能，导致燃料电池碳基底和催化剂载体的快速腐蚀。已经发现碳蚀速率与氢-空气前锋存在的时间和氢-空气前锋处的局部电压大小成比例。为了避免损坏燃料电池系统，可利用氢-氢关闭策略来关闭燃料电池系统，其中在关闭过程完成之后氢存在于两个电极(阳极和阴极)。如果在空气泄漏进阴极之前重启该燃料电池系统，则不会发生损坏性的碳蚀。但是，如果在空气泄漏进阴极的同时仍然存在氢，在阳极上会形成停滞的氢-空气前锋，这将致使阴极电极发生碳蚀。另外，当阳极室充满停滞气体(氢、空气、某种组合形式的水蒸气)时可能发生冻结事件。随着温度下降，停滞气体开始在整个阳极室冷凝。令人遗憾的是，所述气体会在阀门和其他重要的移动部件上冷凝，并且然后冻结。冻结的冷凝物会导致阀门(或其他重要部件)在启动过程中不起作用，从而在启动时增大对电池的损坏和/或导致失效的冻结启动。希望提供一种燃料电池系统以及用于最小化该燃料电池系统中的碳蚀的方法，其中该系统和方法在不牺牲氢-氢关闭策略的同时将燃料电池系统的耐用性最大化。
技术实现思路
根据本专利技术，已经令人惊讶地发现了一种燃料电池系统以及用于最小化该燃料电池系统中的碳蚀的方法，其中该系统和方法在不牺牲氢-氢关闭策略的同时将燃料电池系统的耐用性最大化。在一个实施方式中，燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管，该阳极供应歧管在氢源与阳极之间提供流体连通；与燃料电池的阳极流体连通的阳极排出歧管；以及与燃料电池的阳极流体连通的风扇，其中该风扇控制在燃料电池系统关闭之后通过燃料电池阳极的流体流动。本专利技术还提供用于使燃料电池系统中的碳蚀最小化的方法。一种方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中阳极供应歧管具有设置于其中的流体并与氢气源流体连通；执行关闭程序，其中在完成关闭程序之后氢气存在于阳极和阴极；以及在完成关闭程序之后产生经过燃料电池组的阳极的流动。另一方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与燃料电池的阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中阳极供应歧管具有设置于其中的流体并与氢气源流体连通；执行关闭程序，其中在关闭之后氢气存在于阳极和阴极；以及提供与燃料电池的阳极流体连通的风扇，以在关闭之后产生经过阳极的流动。附图说明本领域技术人员通过下面关于优选实施方式的详细说明并结合附图将容易明白本专利技术的上述以及其他优点，图中：图1是现有技术已知的PEM燃料电池组的展开立体示意图；图2是氢-氢关闭程序刚结束之后的燃料电池系统的横截面示意图；图3是图2的燃料电池系统的横截面示意图，示出了氢浓度随着空气泄露进燃料电池系统中而下降；以及图4是图2的燃料电池系统在空气已经填充了燃料电池系统阳极侧之后的横截面示意图。具体实施方式下面的详细说明和附图描述并示出了本专利技术的不同实施方式。该说明和附图的目的在于使本领域技术人员能够制造并利用本专利技术，而并不在于以任何方式限制本专利技术的范围。就所公开的方法而言，示出的步骤在本质上为示例性的，因此步骤的顺序并不是必须的或关键的。为了简单起见，图1中仅示出和描述了双电池组(即，一个双极板)，应理解典型的燃料电池组具有更多的这种电池和双极板。图1示出了根据现有技术的PEM燃料电池组10。燃料电池组10包括通过导电双极板16而分开的一对膜电极组件(MEA)12，14。MEA12，14和双极板16堆叠在一对夹紧板18，20和一对单极端板22，24之间。夹紧板18，20通过垫圈或介质膜(未示出)而与端板22，24电绝缘。每个单极端板22，24的工作面26，28以及双极板16的工作面30，32包括多个沟槽或通道34，36，38，40，这些沟槽或通道适于促进诸如氢气的燃料和诸如氧气的氧化剂流动通过。不传导的垫圈42，44，46，48在燃料电池组10的部件之间提供密封和电绝缘。气体可渗透的扩散介质50，52，54，56，诸如碳或石墨扩散纸，大体上邻接MEA12，14的阳极面和阴极面中的每一个。端板22，24设置成分别邻近扩散介质50，56。双极板16设置成邻近MEA12阳极面上的扩散介质52。双极板16还设置成邻近MEA14阴极面上的扩散介质54。燃料电池组10还包括阴极供应歧管58和阴极排出歧管60，冷却剂供应歧管62，冷却剂排出歧管64，阳极供应歧管66和阳极排出歧管68。通过使形成于双极板16中的相邻孔、形成于垫圈42，44，46，48中的孔，和形成于端板22，24中的孔对齐来形成供应歧管58，62，66和排出歧管60，64，68。氢气经由阳极入口管道70通过阳极供应歧管66被供应至燃料电池组10。氧化剂气体经由阴极入口管道72通过燃料电池组10的阴极供应歧管58被供应至燃料电池组10。设置分别用于阳极排出歧管68和阴极排出歧管60的阳极出口管道74和阴极出口管道76。冷却剂入口管道78和冷却剂出口管道80与冷却剂供应歧管62和冷却剂排出歧管64流体连通，以提供通过其的液态冷却剂流动。应理解，图1中示出的各个入口70，72，78和出口74，76，80的结构是用于说明的目的，可根据需要选择其他结构。图2，图3和图4示出了根据本专利技术一个实施方式的燃料电池系统100的阳极侧。燃料电池系统100包括具有多个燃料电池112的燃料电池组110。每个燃料电池112具有阳极(未示出)和阴极(未示出)，且阳极和阴极之间设置有电解质膜(未示出)。燃料电池组110还包括第一端114和第二端116。如本文所用，第一端114公知为“干端”，而第二端116公知为“湿端”。在所示的实施方式中，燃料电池系统100还包括阳极供应歧管118，阳极排出歧管120，再循环回路12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使燃料电池系统中的碳蚀最小化的方法，该方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个所述燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中所述阳极供应歧管与氢气源流体连通；执行关闭程序，其中氢气在完成所述关闭程序之后存在于所述阳极和所述阴极；以及在完成所述关闭程序之后产生经过所述燃料电池组的所述阳极的流动。

【技术特征摘要】
US 2008-12-4 12/3279571.一种用于使燃料电池系统中的碳蚀最小化的方法，该方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个所述燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中所述阳极供应歧管与氢气源流体连通；提供将所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管流体联接的再循环回路；执行关闭程序，其中氢气在完成所述关闭程序之后存在于所述阳极和所述阴极；在完成所述关闭程序之后，产生经过所述阳极供应歧管、穿过所述燃料电池组的所述阳极、经过所述阳极排出歧管并通过所述再循环回路回到所述阳极供应歧管的流动，其中所述流动将所述氢气与空气混合；以及在所述燃料电池系统关闭时，维持在所述阳极供应歧管、所述阳极排出歧管、和所述燃料电池之间的基本上均匀的氢气浓度。2.根据权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：提供阳极入口管道和阳极排出管道，所述阳极入口管道适于在所述阳极供应歧管与所述氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。3.根据权利要求2所述的方法，其中通过与所述燃料电池组的所述阳极流体连通的至少一个风扇而产生所述流动。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一个风扇设置成与所述阳极供应歧管、所述阳极入口管道、所述阳极排出歧管和所述阳极排出管道中的至少一个流体连通。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述至少一个风扇铰接至所述阳极供应歧管、所述阳极入口管道、所述阳极排出歧管和所述阳极排出管道中的至少一个。6.根据权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：提供下述中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；以及与所述阳极排出歧管流体连通的再循环管道。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述再循环回路包括风扇、脱水器和阀中的至少一个。8.一种用于使燃料电池系统中的碳蚀最小化的方法，该方法包括下列步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池组，每个所述燃料电池均包括设置在阳极和阴极之间的电解质膜；提供与所述燃料电池的所述阳极流体连通的阳极供应歧管和阳极排出歧管，其中所述阳极供应歧管与氢气源流体连通；提供将所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管流体联接的再循环回路；执行关闭程序，其中氢气在所述关闭之后存在于所述阳极和阴极；提供与所述燃料电池的所述阳极流体连通的风扇，并在完成所述关闭程序之后，产生经过所述阳极供应歧管、穿过所述阳极、经过所述阳极排出歧管并通过所述再循环回路回到所述阳极供应歧管的流动，其中所述流动将所述氢气与空气混合；以及在所述燃料电池系统关闭时，维持在所述阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：TA格雷斯勒，GM罗布，JP萨瓦多，B拉克斯曼安，H加斯泰格，
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]