停止和启动燃料电池的方法技术

本发明专利技术提供了一种操作ＰＥＭ燃料电池的方法，ＰＥＭ燃料电池包括用于给阳极侧（１４）输送反应气体的阳极输送管路和用于给阴极侧（１６）输送阴极气体的阴极输送管路。所述方法适用于停止和启动燃料系统的发电操作，在停止模式中包括以下步骤：响应于停止信号减少反应气体和阴极气体的供应，监测燃料电池堆（１２）中至少一块电池的输出电压，监测反应气体压力和阴极气体压力，响应于达到预定电压水平的输出电压电分流所述至少一块电池，通过至少一个泵（１６，１８）至少将阳极侧（１４）的压力减小至预定的压力水平，并且用惰性气体填充和／或冲刷至少阳极侧（１４）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及操作燃料电池系统的方法，特别是用于以使性能随时间的退化被最小化这样的方式来停止和启动燃料电池系统的方法。本专利技术进一步涉及对应的燃料电池系统。
技术介绍
上述类型的电化学燃料电池将反应物，通常是氢气气流和氧气气流，转化为电力和水。质子交换膜燃料电池(PEMFC)通常包括设置在两个多孔导电电极层之间的固体聚合物电解质膜以构成膜电极组件(MEA)。为了引发所需的电化学反应，阳极电极和阴极电极均包括一种或多种催化剂。这些催化剂通常被设置在膜/电极层的接触面处。在阳极，氢气流过多孔的电极层并且被催化剂氧化以生成质子和电子。质子通过固体聚合物电解质向阴极迁移。氧气这部分流过多孔的阴极并在阴极与通过膜到来的质子反应。电子通过外部电路从阳极向阴极行进以形成电流。典型的质子交换膜燃料电池堆包括一对端板组件和多个燃料电池组件。反应物和冷却液流通过端板内的入口和出口被提供给堆内的内部歧管和通道并由此排出。每一个燃料电池组件都包括阳极流场板、阴极流场板和介于这些流场板之间的膜电极组件(MEA)。阳极流场板和阴极流场板由导电材料制成并用作集流器。因为一块电池的阳极流场板与相邻电池的阴极流场板背靠背放置，所以电流能够从一块电池流向另一块电池并由此流过整个堆。在现有技术已知的其他燃料电池堆中，个体电池通过流场板之间的冷却元件隔开或者通过单块的双极流场板隔开而不是由单独的阳极流场板和阴极流场板隔开。流场板在相邻的燃料电池组件之间进一步提供了流体隔离以避免提供给一块电池阳极的反应流体污染提供给另一块电池阴极的反应流体。在MEA和板之间的接触面处， 流场板将反应流体引向电极。流场板通常包括在流场板面向MEA的主表面内形成的多条流体流动通道。流场板的一种用途就是将反应流体分配到相应电极的整个表面上，也就是将氢气分配在阳极侧上以及将氧气分配在阴极侧上。关于PEMFC的一个已知问题就是性能随时间的逐渐退化。实际上，已经证明固体聚合物燃料电池可以长时间工作，但是只有在相对理想的条件下才有可能实现。相比之下， 当燃料电池必须在宽泛的各种条件下工作时，特别在用于机动车辆应用时就正是这种情况，不断改变的条件(通常被模型化为负载循环和启动-停止循环)已经表现出会使耐用性和寿命显著下降。不同类型的非理想条件已经在文献中加以鉴别。这些条件中的第一种被称为“高电池电压”，已知将燃料电池暴露在低电流或零电流条件下与在平均恒定的电流下工作相比会导致更高的退化速率。第二种非理想条件是“低电池电压”，进一步已知从燃料电池中引出尖峰电流也会导致退化速率的提高。根据以上事实可知，为了保持燃料电池的寿命，优选的是既要避免“高电池电压”的工作条件，又要避免“低电池电压”的工作条件。换句话说，燃料电池应该只在有限的电压范围内工作。为了应对在机动车辆应用中很常见的负载突变，通常将电化学能量存储单元例如电池或超级电容器与燃料电池相连。电池可以用作缓冲器在负载中有尖峰时提供电力，并且相反地在低负载或零负载状态的情况下存储过多的电力。原则上，这样的设置即可允许燃料电池在希望的有限电压范围内工作。但是，一旦电池被完全充电，很明显就不能够再用于存储由燃料电池提供的过多电力。对于这一新问题已知的解决方案是简单地停止燃料电池，直到电池的充电水平达到一个较低的阈值为止。但是，启动-停止循环仍然会导致性能随时间而退化。例如文献US 2008/0038595A1公开了一种用于停止包括有燃料电池的电力供应系统的方法。这种已知的停止过程在收到停止信号时被激活并且包括初始阶段、消耗阶段、 中和阶段和结束状态，在初始阶段期间中断氧气供应，在消耗阶段期间从燃料电池引出持续电流，在中和阶段期间将输氧管路通向大气环境，在结束状态期间中断氢气供应。还要采取进一步措施以使得氢气压力永不低于大气压力，也就是停止程序结束时氧气管路中的压力。
技术实现思路
因此，本专利技术的目标是提供一种用于操作燃料电池系统的方法，其中启动-停止循环的重复执行具有降低性能退化的效果。本专利技术的另一目标是提供一种燃料电池系统， 具有适当的启动-停止过程，在停止和启动期间减少了反应物的消耗。本专利技术中操作燃料电池系统的方法由所附权利要求1和11定义。相应的燃料电池系统进一步在权利要求15中定义。本专利技术的可优选实施例是相应从属权利要求中的主题内容。根据本专利技术，一种燃料电池系统的停止过程以响应于控制系统生成相应的停止信号而减少阳极气体和阴极气体的供应开始。在本文中，阳极气体通常包括燃料气体，例如纯氢气或富氢气。阴极气体通常包括含氧气体或纯氧气。最终考虑到氧气和氢气电化学反应的化学计量关系，反应气体也就是阳极和阴极气体的供应被突然地或稳定地减少。尽管阳极气体和阴极气体的外部供应可以被中断，但是燃料电池系统中阳极侧管路和阴极侧管路内剩余的气体仍然会反应并提供电力和反应产物，通常是水或水蒸汽。在该初始停止步骤中，监测燃料电池的输出电压以及阳极气体压力和阴极气体压力及其各自的分压。只要单块燃料电池的输出电压处于预定的电压范围内，特别是处于 0. 3V/电池和0. 8V/电池之间，阳极气体和阴极气体的化学反应就仍在继续。在这一首次停止步骤期间，阳极气体和阴极气体的气体压力会由于正在进行的电化学反应而自发地下降。优选地，阳极输送管路和阴极输送管路均以闭环模式工作，其中从燃料电池堆中各自的出口选出的阳极气体和阴极气体通过再循环管路被送回到燃料电池堆中。一旦燃料电池的输出电压下降到低于例如为0. 3V/电池或者甚至是0. IV/电池的预定阈值，那么燃料电池堆中的至少一块电池即被电分流以避免累积起高电池电压，否则通过燃料电池堆内剩余的反应物可能就会产生这样的高电池电压。通常，不仅可以分流单块燃料电池，而且可以分流多块燃料电池或者甚至是整个燃料电池堆。在例如通过单个电阻或者通过多个足够量级的电阻来分流至少一块燃料电池之后，至少是燃料电池阳极侧的压力就会进一步减小到预定的压力水平。这种减小可以通过至少一个泵和/或通过相应反应物正在进行的电化学消耗来实现。在本文中，进一步应该注意到可以用各种不同的方式来分流整个电池堆。电池堆的分流例如可以通过利用单个电阻来实现。可选地，可以利用适当的电池专用电阻来单独分流电池堆中每一块单独的电池。更进一步地，也可以通过电池组专用的电阻来分流电池组。要分流整个电池堆，所需的电阻数量及其量级必须被调节为要被分流的电池或电池组的数量。在已达到预定的压力水平之后，用对化学反应具有抑制效应的惰性气体通常是氮气或氩气来填充和/或冲刷压力减小的阳极侧。通过压力减小以及随后用惰性气体填充或冲刷燃料电池堆的阳极侧，退化机制即可被减弱。而且，能够有效地减少阴极侧过电压的出现，阴极侧过电压可能会在氢气和氧气或来自于氢气-氧气锋面的氢气和空气在阳极侧相遇的情况下产生。而且，与现有技术中的解决方案相比，在用惰性气体填充和/或冲刷阳极侧之前， 至少所述阳极侧的压力减小提供了惰性气体只会与阳极气体轻微混合的优点。另外，通过使用泵从阳极侧抽出的阳极气体可以被输送至存储容器并且不会流失。而且，由于阳极侧能够基本上被抽空，因此要用所述惰性气体完全填充阳极侧所必须提供的惰性气体更少。 这是因为不必再用惰性气体来将阳极气体冲出或者清洗出燃料电池堆的阳极侧。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种操作燃料电池系统（１０）的方法，燃料电池系统（１０）包括用于给阳极侧（１４）输送阳极气体的阳极输送管路和用于给阴极侧（１６）输送阴极气体的阴极输送管路，所述方法适用于停止燃料电池系统（１０）的发电操作并且包括以下步骤：－响应于停止信号减少阳极气体和阴极气体的供应，－监测燃料电池堆（１２）中至少一块电池的输出电压，－监测阳极气体压力和阴极气体压力，－响应于达到预定电压水平的输出电压电分流燃料电池堆（１２）中所述至少一块电池，－将至少阳极侧（１４）的压力减小至预定的压力水平，－用惰性气体填充和／或冲刷至少阳极侧（１４）。

【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：A·特素卡达，
申请(专利权)人：贝伦诺斯清洁电力控股有限公司，
类型：发明
国别省市：CH