启动时燃料电池阴极中的氢燃烧制造技术

燃料电池发电装置（１００）包括一组燃料电池（１０２）、冷却剂通道（１０３）、空气吹风机（１４４）、空气入口和出口阀（１３９ａ，１４１ａ）、使用空气吹风机的阴极回收环路（１３５）以及阴极排放混合箱（１７３），其中，每个燃料电池均包括位于阳极（１０４）和阴极（１０６）之间的电解质（１０１）。关闭包括在通过阳极施加新鲜的燃料和回收的燃料的同时回收阴极空气，直到氧为大约０．２或更少，或超出时间。在启动时，启动空气吹风机，且阴极回收阀（１３５）打开，并打开空气入口阀以允许在正常运行期间所使用的空气流的大约一半，以导致阴极中的氢被逐渐地消耗，因而避免了空气出口歧管中的氢等级高于可燃下限。在排放口监视氢气，在氢气峰值之后，提供完全的空气流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
阴极和阳极的气体空间已具有少量均衡的氢的燃料电池发电装置的启动，包括使 少量的氧气流入阴极，从而在催化剂的帮助下安全地消耗氢，以避免氢浓度高于阴极排放 中的可燃下限等级。该气流可以是平稳的或脉动的。
技术介绍
在PEM燃料电池系统中，众所周知，当电路开路且没有负载加载于电池时，例如正 在关闭电池的时候，阴极上存在的空气与残留在阳极上的氢燃料结合，通常导致不可接受 的高的电极电势，从而引起催化剂和催化剂载体的氧化和腐蚀以及伴随的电池性能退化。 当关闭电池时，惰性气体被用于立即净化阳极流场和阴极流场，以钝化阳极和阴极，从而减 小或防止这种电池性能退化。期望节省因存储单独的惰性气体供应源和将其输送至燃料电池而产生的成本、空 间以及重量，尤其是在紧凑性和低成本非常关键的汽车应用和系统需要经常关闭和重启的 汽车应用。在美国专利6，635，370中，通过断开主负载，切断气流，关闭空气出口阀和空气 入口阀并控制进出系统的燃料流，从而关闭燃料电池系统，其方式为使得燃料电池气体达 到均衡而穿过电池，且气体成分为少量的氢和剩余的燃料电池惰性气体，该惰性气体不与 燃料电池中的氢或氧发生反应，也不显著地损害电池性能。在上述的专利中，在断开主负载并关闭通向阴极流场的空气供给和从阴极流场的 排放之后，继续向阳极流场供给燃料，直至剩余的氧化剂消耗殆尽。该氧化剂的消耗借助于 从阴极出口向阴极入口回收气体，以及将小的辅助负载施加于电池，这也迅速地降低了阴 极电势。回收阴极气体确保了阴极中的剩余气体的良好混合，使得氧将更加均勻地散布在 整个燃料电池中，因此更快地消耗。当回收阴极气体时，阳极流场中的氢通过膜而扩散到阴极，使得阴极流场中的氧 被消耗，导致阴极流场中氧的总量变少，且大气中可找到的氮和其他气体的浓度上升。氧化剂流场将最终稳定于大气压，包括浓度介于大约0%至50%的氢和剩余的燃 料电池惰性气体。
技术实现思路
—种启动程序避免了清除在阴极气体空间中聚集的高浓度氢，尤其是聚集在阴极 出口歧管和其他排放管道中的高浓度氢。本启动程序包括在启动时使少量空气流入阴极。 这在催化剂的帮助下，安全地消耗了在关闭后残留于阴极气体空间中的氢。作为导致在阴 极处残留氢的任何形式的关闭程序的结果，氢可能已到达阴极。本过程，作为燃料电池发电装置的例行启动的一部分，包括操作空气吹风机，打开 空气入口阀以将低的空气流送至阴极，同时，由氢传感器监视阴极排放口中(或其他出口 管道中)的氢含量。这持续到达到并超过氢浓度的峰值。可能在大约15秒至20秒之间达 到该峰值，但该时间可取决于发电装置的设计细节而有所变化。在这个过程中，阴极排放3口可能打开，以允许稳定的空气流穿过阴极，或者阴极排放口可能打开和关闭(或几乎关 闭)，以允许短持续时间的反复的脉冲空气流流过阴极。在通常情况下，此类脉冲可能开启 或者关闭一秒或几秒，或者长达十秒。无论达到何种气氛，脉冲通常将增加排出的被稀释的 混合物的混合。在关闭程序期间使用的具有阴极气体回收能力的系统中，阴极气体回收可能在启 动程序中被激活，同时伴随有少量的入口空气流。阴极回收的使用，如果存在，确保了阴极 气体空间中的氢更稳定地到达阴极催化剂，氢在此与随着空气被带入的氧发生反应。由于阴极流空间中的氢的量有限，因而容易容忍产生的热量。这里的程序可以供采用氢气供应的系统使用，以支撑残余的氧的消耗，该系统可 以具有或不具有阴极回收吹风机，可以具有或不具有阴极回收环路。通过以下详细地描述典型实施例，其他的变化将变得更加清楚，如附图所示。附图说明图1为燃料电池系统的第一实施例的示意图，该系统可能根据本文中的程序而关 闭。图2为随时间变化的氢浓度的大致曲线。图3为图1的实施例的变型例的片断视图。具体实施例方式在图1中，燃料电池系统100包括一堆101串联地电连接的邻近的燃料电池102， 该燃料电池具有位于一个电池的阴极流场板120和邻近的电池的阳极流场板118之间的冷 却剂流场103。更多的关于与图1中所表示的燃料电池相似的燃料电池的具体信息可在美 国专利5，503，944中得到。该’ 944专利描述了固态聚合物电解质燃料电池，其中，电解质 为质子交换膜(PEM)。燃料电池102包括阳极104(也可被称为阳极电极)、阴极(也可被称为阴极电极) 以及设置在每个阳极和阴极之间的电解质108。每个电解质可以是质子交换膜(PEM)的形 式，例如美国专利6，024，848中所描述的类型。每个阳极包括设置在阳极衬底110和电解 质108之间的阳极催化剂层112。每个阴极包括设置在阴极衬底114和电解质108之间的 阴极催化剂层116。每个燃料电池也包括邻近于阳极衬底110的阳极流场板118以及邻近 于阴极衬底114的阴极流场板120。每个阴极流场板120具有多个通道122，这些通道邻近于阴极衬底而延伸穿过，形 成了用于从入口 124运载例如空气的氧化剂穿过阴极而到达出口 126的阴极流场。每个阳 极流场板118具有多个通道128，这些通道邻近于阳极衬底而延伸穿过，形成了用于从入口 130运载含氢燃料穿过阳极而到达出口 132的阳极流场。电池组101也包括位于反应气体 流场板118和120之间的冷却剂流场131，以从电池移除热，该冷却剂流场例如通过使用冷 却剂泵134来使冷却剂循环通过环路132，该环路穿过冷却剂流场131、用于排出热的散热 器136以及流控制阀或孔138。图1的燃料电池系统包括含氢燃料源140和空气源142。燃料可以是高纯度氢或 者例如重整天然气或汽油的其他富氢燃料。管道139从通常为周边环境的源142运载空气穿过空气入口阀139a而进入阴极流场入口 124;管道141运载使用过的空气离开出口 126 而通过空气排出阀141a和止回阀169。氧化剂循环环路133具有设置于其中的氧化剂回收 阀135，延伸到设置于管道139中的空气吹风机144，以在关闭程序或本启动程序的期间，选 择性地从阴极流场出口 126使得使用过的空气循环返回到阴极流场入口 124。当运行于回 收模式时，吹风机144可以运行于低速，通常运行于大约正常运行速度的一半。燃料电池系统还包括将阳极和阴极连接的外部电路148、燃料回收环路146以及 设置于燃料回收环路内的燃料回收环路吹风机147。外部电路143包括主负载148、与主负 载并联的辅助电阻负载150以及与辅助电阻负载串联的二极管149。在正常燃料电池运行期间，主负载开关154闭合(其在图示中显示为打开)，辅助 负载开关156打开，使得燃料电池向主负载154提供电能。空气吹风机144、燃料回收吹风 机147以及冷却剂泵134全部工作。空气流阀139a和141a打开。通向阳极流场的燃料供 给管道160中的燃料供给阀158打开，与此同时，阳极排放管道164中的阳极排放孔阀162 和冷却剂环路流控制阀138也打开。空气回收阀135关闭。这些条件通常由常规的控制器 170管理。在正常运行中，来自源142的空气通过管道139而被连续地输送到阴极流场入口 124，并经由管道141而离开出口 126。来自源140的含氢燃料经由管道160而被连续输送 到阳极流场。阳极排放物的一部分，包含废弃的氢燃料，通过孔阀162经由管道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，在燃料电池发电装置（１００）的启动程序的期间，（ａ）允许所述燃料电池发电装置中的燃料电池（１０２）的氧化剂流场（１２２）的出口（１２６）中的气体流向排放口（１７４）；其特征在于，（ｂ）从源（１４２）向所述氧化剂流场的入口（１２４）提供（１３９，１３９ａ，１４４）空气，该空气比在该发电装置的正常运行期间所利用的空气流更小。（ｃ）监视（１７０，１７９）从所述出口流向排放口的气体中的氢浓度；以及（ｄ）响应于氢浓度已经达到并超过峰值浓度而向所述入口提供在该发电装置的正常运行期间所利用的空气流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：M莫兰，M威尔逊，V亚达，
申请(专利权)人：UTC电力公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]