專利名稱：采用陰極循環(huán)回路的燃料電池的關(guān)閉和啟動的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及運行燃料電池系統(tǒng)，更具體而言，本發(fā)明涉及以如下方式啟動和關(guān)閉燃料電池，以使催化劑載體材料的氧化減至最少并保持系統(tǒng)的簡單性。
背景技術(shù)：
使用催化劑來促進燃料電池中氫與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)是已公知的。催化劑一般以分布在載體上的貴金屬粉末的形式存在，所述載體本身是更大的碳或者碳基顆粒的粉末。這種基于粉末的方法能夠顯著增大能夠發(fā)生上述反應(yīng)的表面積。盡管這樣的構(gòu)造提供了一種高效、緊湊的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器通過將相對昂貴的催化劑(比如鉑)涂布在較大面積上導(dǎo)致功率輸出得到顯著提高，同時降低了原材料成本，但是，其功效可能會受到一定的操作模式的限制。比如，即使當(dāng)減少或者停止對燃料電池中產(chǎn)生的電流的需求時，殘留的氧與氫反應(yīng)物繼續(xù)產(chǎn)生開路電壓(一般大約0.9V或者更高)，所述開路電壓可能會導(dǎo)致催化劑和催化劑載體產(chǎn)生氧化，由此縮短了燃料電池的壽命。更令人關(guān)注的是，在燃料電池的一個電極(比如陽極)上存在氫-空氣界面，而空氣存在于另一個電極(比如陰極)上，這將導(dǎo)致產(chǎn)生1.4V到1.8V之間的電位。這種增高的電位加重了上面提到的催化劑和催化劑載體材料的腐蝕。這種情況可能發(fā)生在啟動(當(dāng)空氣被氫吹掃清除時)以及在關(guān)閉(當(dāng)空氣進入陽極而氫被跨界(cross-over)消耗時)期間。與發(fā)生在這些瞬態(tài)之間的相對穩(wěn)態(tài)運行相比，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了該運行瞬態(tài)，尤其是重復(fù)進行的系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉，更快地縮短了燃料電池堆的壽命。
一種減輕殘留燃料和氧化劑問題的方法是在電池關(guān)閉后立即注入惰性氣體以對陽極流動通路和陰極流動通路進行吹掃。該方法可以通過，比如向陽極流動通路和陰極流動通路中注入車載氮氣而實現(xiàn)。但是，這尤其是對于許多基于車輛的燃料電池系統(tǒng)而言是不利的，這是由于車載附加氣體氮的供應(yīng)裝置將占據(jù)需要犧牲可以用于乘客的寶貴的車輛空間、舒適性或者安全性。另一種方法是將空氣引入陽極流動通路以使空氣可與殘留的氫發(fā)生反應(yīng)。通過使這一混合物進行再循環(huán)，氫可以被點燃或者進行催化反應(yīng)直到基本不存在。通過這種方法，不需要車載氮吹掃氣體。但是，該系統(tǒng)的不利之處在于需要復(fù)雜的系統(tǒng)元件構(gòu)成，包括連接到與精確的控制機構(gòu)連接在一起的復(fù)雜的閥網(wǎng)絡(luò)上的附加泵。因此，需要一種能夠不必采用需要明顯增加重量、體積或者復(fù)雜性等方法就可以進行啟動和關(guān)閉的燃料電池系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可以滿足這些需要，在本發(fā)明中公開了一種燃料電池系統(tǒng)和一種操作這一系統(tǒng)的方法，所述方法可以避免運行瞬態(tài)對系統(tǒng)元件造成有害影響。根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，公開了一種運行燃料電池系統(tǒng)的方法。該燃料電池系統(tǒng)包括至少一個燃料電池，所述燃料電池至少包括陽極、陰極和設(shè)置在陽極和陰極之間的膜，此外還包括連接陽極和燃料源的陽極流動通路和連接陰極和氧源的陰極流動通路。上述流動通路可包括設(shè)置在燃料電池內(nèi)部或者周邊的對流體流動而言必要的支持設(shè)備，包括管道系統(tǒng)和相關(guān)的導(dǎo)管。閥、泵和相關(guān)的元件盡管也構(gòu)成了流動通路的一部分，將會單獨進行討論以更清楚地識別它們在相應(yīng)流動通路中的作用。在本系統(tǒng)中，在陰極流動通路中形成循環(huán)回路，并且結(jié)合陰極流動通路與陽極流動通路之間的連通性，提供一種不在與未經(jīng)稀釋的純化學(xué)計量的燃燒相關(guān)聯(lián)的高溫下產(chǎn)生惰性氣體的裝置。盡管可以從本發(fā)明獲益的一種燃料電池是質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識到使用其它燃料電池構(gòu)造也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過以下步驟實施本發(fā)明的操作運行斷開所述燃料源與所述陽極的連接，以使燃料流被切斷；通過所述循環(huán)回路使設(shè)置在所述陰極流動通路中的流體進行再循環(huán)；將燃料引入所述循環(huán)回路，以使所述燃料與所述再循環(huán)流體進行反應(yīng)直到所述再循環(huán)流體變?yōu)榛旧鲜茄跸膬舻?，然后將氧基本耗盡的流體引入所述陽極流動通路，從而使得基本上從其中吹掃除去先前存在于所述陽極流動通路中的所有流體。術(shù)語“氧源”以及其變型應(yīng)該作廣義理解，包括被構(gòu)造用以提供氧或者大量含氧化合物、混合物等的任何裝置、容器或者環(huán)境(包括室溫環(huán)境)。
可選擇地，所述方法包括流體連接壓力源與所述燃料和氧源中的至少一個的步驟。這種壓力源(例如空氣壓縮機)可用以對包含在循環(huán)回路內(nèi)的流體進行加壓。所述再循環(huán)步驟可進一步包括關(guān)閉陰極出口閥并打開陰極流動通路再循環(huán)閥，所述兩種閥皆設(shè)置在循環(huán)回路內(nèi)。在一種形式中，將氧基本耗盡的氣體引入陽極流動通路的步驟可包括打開流體連接陽極流動通路和陰極流動通路的吹掃閥。優(yōu)選地(但不是必須地)，吹掃閥被設(shè)置在陰極與陰極出口閥之間。將燃料引入循環(huán)回路中的步驟可包括調(diào)節(jié)流體連接陽極流動通路和陰極流動通路的燃料惰化閥。與前述吹掃閥一起，該閥在兩條流動通路之間提供了直接的橋路。
所述系統(tǒng)可至少限定系統(tǒng)產(chǎn)生電能的第一工作狀態(tài)、系統(tǒng)不產(chǎn)生電能的第二工作狀態(tài)、和瞬時處于第一工作狀態(tài)和第二工作狀態(tài)之間的第三工作狀態(tài)。這種瞬態(tài)運行包括那些系統(tǒng)功率輸出發(fā)生變化的運行期間。與本發(fā)明特別有關(guān)的兩個時間的這種操作是在系統(tǒng)啟動和關(guān)閉的過程中。因而，瞬態(tài)運行與穩(wěn)態(tài)運行不同，在穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)輸出基本是恒定的。在一種操作運行模式中，斷開連接、再循環(huán)、反應(yīng)以及兩個引入步驟構(gòu)成了第三工作狀態(tài)。附加步驟包括一旦氧基本耗盡的流體已大體上對陽極流動通路進行吹掃，那么用燃料充注陽極流動通路。在這種情況下，所述系統(tǒng)已準(zhǔn)備好處于正常狀態(tài)(例如與前述第一工作狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的狀態(tài))。實施這一最后步驟的一種方法是流體隔開陽極流動通路與陰極流動通路，并且流體連接燃料源與陽極。例如所述流體隔開陽極流動通路與陰極流動通路的步驟包括關(guān)閉前面討論的吹掃閥?？赏ㄟ^關(guān)閉前面討論的燃料惰化閥而實施所述流體隔開陽極流動通路與陰極流動通路的步驟?？赏ㄟ^打開設(shè)置在陽極流動通路內(nèi)的燃料供應(yīng)閥而實施所述流體連接燃料源與陽極的步驟?？蓪θ剂系牧髁窟M行調(diào)節(jié)直至系統(tǒng)正常運行處于其第一工作狀態(tài)。另一種選擇包括在正常運行之前從所述氧源向所述陽極中釋放流體，由此提供了附加加熱從而幫助所述系統(tǒng)在低溫環(huán)境中啟動期間更快速地達到最佳工作溫度(例如在60℃和80℃之間)。該釋放步驟可包括打開吹掃閥。相似地，在可比過程中，也從所述燃料源向所述陰極中釋放燃料，這同樣有助于進行低溫啟動。為了實現(xiàn)這一目的，燃料惰化閥被打升。
另一種可選擇步驟包括調(diào)節(jié)引入陰極流動通路中的燃料量以保持在進行吹掃步驟期間再循環(huán)流體中具有基本的燃料-氧混合化學(xué)計量比。例如，可以感應(yīng)到存在于再循環(huán)流體中的氧的量，從而按照保持基本的化學(xué)計量比所需的量對燃料惰化閥進行調(diào)節(jié)。所述系統(tǒng)中可包括控制器，使得可自動執(zhí)行對感應(yīng)到的氧含量的響應(yīng)，例如通過自動操縱一個或多個前述閥實現(xiàn)。對于反應(yīng)物而言，所述燃料優(yōu)選是富氫的，其實例可以是甲醇、氫氣、甲烷(例如天然氣)和汽油。在來自燃料源的燃料不是相當(dāng)純的氫的情況下，可使用燃料處理系統(tǒng)(例如甲醇重整器或本領(lǐng)域的技術(shù)人員已公知的其它這種類型的反應(yīng)器)以向燃料電池供應(yīng)大體上純的氫。優(yōu)選的氧源為空氣。優(yōu)選地，所述反應(yīng)步驟發(fā)生在與陰極流動通路流體相連的燃燒器和設(shè)置在陰極上的催化劑之一或二者全部中。附加步驟可以是冷卻在反應(yīng)步驟期間產(chǎn)生的產(chǎn)物。這可通過將冷卻器設(shè)置在燃燒器與燃料電池之間而實現(xiàn)。將氧基本耗盡的流體引入陽極流動通路中的步驟可包括流體連接位于陰極下游的陰極流動通路與陽極中的進口部位。另一個附加步驟可包括一旦先前剩留的燃料已基本被除去，用空氣充注陽極流動通路?？赏ㄟ^關(guān)閉燃料惰化閥并且打開吹掃閥而執(zhí)行所述用空氣充注陽極流動通路的步驟。此外，可通過關(guān)閉燃料供應(yīng)閥而實施所述斷開陽極與燃料源的連接的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，公開了一種準(zhǔn)備燃料電池系統(tǒng)啟動的方法。如前面所述，該燃料電池系統(tǒng)包括至少一個燃料電池，所述燃料電池至少包括陽極、陰極和設(shè)置在陽極和陰極之間的膜，此外還包括連接陽極和燃料源的陽極流動通路和連接陰極和氧源的陰極流動通路。此外，該燃料電池系統(tǒng)還包括被構(gòu)造用以在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間形成流體連通的多個閥。本發(fā)明的方法包括以下步驟將來自燃料源的燃料引入陰極流動通路；通過所述循環(huán)回路使設(shè)置在所述陰極流動通路中的流體進行再循環(huán)；將燃料引入所述循環(huán)回路，以使所述燃料與所述再循環(huán)流體進行反應(yīng)直到所述再循環(huán)流體變?yōu)榛旧鲜茄跸膬舻模缓髮⒀趸竞谋M的流體引入所述陽極流動通路，從而使得基本上從其中吹掃除去先前存在于所述陽極流動通路中的所有流體。
可選擇地，所述引入氧基本耗盡的流體的步驟包括打開(前面討論的)流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的吹掃閥，且隨后打開(前面討論的)流體連接燃料源與陽極的燃料供應(yīng)閥。另外，流體可從氧源釋放進入陽極用以促使低溫啟動。所述將空氣釋放進入陽極的步驟可包括打開設(shè)置在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間的吹掃閥。此外，可從所述燃料源向所述陰極中釋放燃料，以促進低溫啟動?？赏ㄟ^與前述討論相類似地打開燃料惰化閥而實施所述釋放燃料的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，公開了一種瞬態(tài)運行燃料電池系統(tǒng)的方法。所述系統(tǒng)被構(gòu)造用以至少限定系統(tǒng)產(chǎn)生電能的第一工作狀態(tài)和系統(tǒng)不產(chǎn)生電能的第二工作狀態(tài)。該系統(tǒng)內(nèi)的元件包括至少一個燃料電池、陽極流動通路、陰極流動通路，全如上面所述、與氧源相連的壓力源、和多個閥，其中的一些為設(shè)置在所述循環(huán)回路內(nèi)的至少一個閥、吹掃閥和燃料惰化閥。該方法中的步驟包括將所述系統(tǒng)置于第一或第二工作狀態(tài)之一；斷開陽極與燃料源之間的連接；布置設(shè)置在循環(huán)回路中的至少一個閥，使得受到壓力源加壓的流體可再循環(huán)通過所述回路；布置燃料惰化閥使得燃料可從燃料源被引入陰極流動通路中，使所述燃料與再循環(huán)流體進行反應(yīng)直到所述再循環(huán)流體變?yōu)榛旧鲜茄跸膬舻?，并且打開吹掃閥以使氧基本耗盡的流體被引入所述陽極流動通路，從而基本上吹掃清除所述陽極流動通路。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，公開了一種包括至少一個燃料電池的裝置，所述燃料電池包括陽極、陰極和設(shè)置在該陽極和陰極之間的膜。該裝置還包括陽極流動通路、陰極流動通路以及多個被構(gòu)造用以在陽極流動通路與陰極流動通路之間形成流體連通的閥，所述元件均如以上所述。多個閥包括設(shè)置在所述燃料源和所述陽極之間的燃料供應(yīng)閥；至少一個設(shè)置在所述循環(huán)回路內(nèi)以選擇性地允許流體在回路中進行再循環(huán)的閥；燃料惰化閥和吹掃閥。
可選擇地，該裝置進一步包括與燃料源和氧源中的至少一個相連的壓力源。另外，所述設(shè)置在循環(huán)回路中的至少一個閥可以是多個閥，包括被構(gòu)造用以在陰極流動通路中選擇性地控制排氣管路中的背壓的陰極出口閥和設(shè)置在氧源與壓力源之間的陰極流動通路再循環(huán)閥。如前面所述，所述壓力源可由空氣壓縮機供應(yīng)。還可包括燃燒器，用以促進燃料與氧之間的反應(yīng)。依然如前面所述，冷卻器可流體連接到燃燒器的下游，而催化劑可被設(shè)置在陰極上，用以促進燃料與氧之間的反應(yīng)。另外還可包括被構(gòu)造用以調(diào)節(jié)引入陰極流動通路的燃料量的控制器，其中可附加包括氧傳感器，從而使得所述控制器被構(gòu)造用以響應(yīng)于由氧傳感器發(fā)出的信號操縱所述多個閥。該裝置可進一步包括被構(gòu)造用以獲取由燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電力并將其轉(zhuǎn)換為促動功率的功率轉(zhuǎn)換機構(gòu)，并可以進一步包括被構(gòu)造用以容納燃料電池系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運載工具。運載工具(可以是汽車、卡車、摩托車、飛機或者船只)響應(yīng)于功率轉(zhuǎn)換機構(gòu)中產(chǎn)生的促動功率可進行移動。


結(jié)合以下附圖可以更好地理解下文中對本發(fā)明的詳細(xì)描述，在附圖中使用相似的附圖標(biāo)記表示相似的結(jié)構(gòu)，其中圖1A示出了為車輛應(yīng)用構(gòu)造的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖1B示出了圖1A所示系統(tǒng)中的典型的燃料電池；圖1C示出了在圖1B所示燃料電池的陽極和膜之間的區(qū)域的放大圖，圖中重點示出了載體上催化劑的布置，其中所述催化劑被用以促進燃料的離子化；圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2B示出了圖2A所示系統(tǒng)的一種變型；和圖3示出了使用圖2A或者圖2B所示的燃料電池系統(tǒng)的車輛。
具體實施例方式
首先參照圖1A，框圖中重點示出了根據(jù)本發(fā)明的移動式燃料電池系統(tǒng)1的主要部件。該系統(tǒng)包括燃料傳輸系統(tǒng)100(包括燃料源100A和氧源100B)、燃料處理系統(tǒng)200、燃料電池300、一個或者多個能量儲存裝置400、傳動列500以及一個或者多個促動裝置600，象征性地顯示為輪子。盡管圖中示出本系統(tǒng)1用于移動式應(yīng)用(比如車輛)，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該會意識到燃料電池300和其輔助設(shè)備同樣可適用于固定應(yīng)用中。同樣，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會意識到可以使用其它燃料傳輸和燃料處理系統(tǒng)。比如，除了燃料源100A和氧源100B之外，還可能存在水源(未示出)。同樣地，在一些已存在基本得到凈化的燃料的變型中，可不需要燃料處理系統(tǒng)200。能量儲存裝置400可以一個或者多個蓄電池、電容器、電流轉(zhuǎn)換器，或者甚至是馬達的形式存在，從而將來自燃料電池300的電流轉(zhuǎn)化為諸如旋轉(zhuǎn)軸功率等機械功率，用以操作傳動列500和一個或者多個促動裝置600?？山Y(jié)合燃料處理系統(tǒng)200用以將原燃料比如甲醇轉(zhuǎn)化為在燃料電池300中使用的氫或者富氫的燃料；要不然，在燃料源100A已提供基本純的氫的構(gòu)造中，可以不需要燃料處理系統(tǒng)200。燃料電池300包括陽極310、陰極330、以及設(shè)置在陽極310和陰極330之間的電解質(zhì)層320。盡管圖中僅示出了一個燃料電池300，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)會意識到燃料電池系統(tǒng)1(尤其是那些用于車輛和相關(guān)應(yīng)用中的燃料電池系統(tǒng))可包括由這樣的電池串聯(lián)連接在一起的電池堆。
下面參見圖1B和圖1C，陽極310包括與流動通道316相連的電極基體312和催化劑層314。陰極330包括與流動通道336相連的電極基體332和催化劑層334。流動通道316、336形成陽極流動通路和陰極流動通路(在下文中對二者進行描述)與相應(yīng)的陽極和陰極相接觸的部分。優(yōu)選地，電極基體312、332是多孔的，從而允許燃料和氧的擴散以及燃料-氧反應(yīng)形成的產(chǎn)物水的流動。催化劑層314由分散在載體314B表面上的催化劑314A構(gòu)成。當(dāng)前顯示為質(zhì)子交換膜的電解質(zhì)層320設(shè)置在每個陽極310和陰極330之間，從而允許電離氫從陽極310流動至陰極330，同時阻止電流通過。燃料(一般為氣體氫的形式)通過流動通道316，允許燃料擴散通過電極基體312，而與催化劑314A接觸，通過所述催化劑，被認(rèn)為是分解吸附反應(yīng)的氫燃料的電化學(xué)氧化得以進行。催化劑314A促進了這一反應(yīng)，催化劑典型地以分散在一般為碳基的載體314B表面上的貴金屬(比如鉑)的細(xì)小顆粒的形式存在。然后，在陽極310產(chǎn)生的帶正電的氫離子(質(zhì)子)通過電解質(zhì)320與在陰極330產(chǎn)生的帶負(fù)電的氧離子發(fā)生反應(yīng)。釋放出的電子流形成了通過負(fù)載400的電流，以使馬達或者是相關(guān)的電流響應(yīng)裝置可進行旋轉(zhuǎn)。圖中示出以上面討論的能量儲存裝置的形式存在的負(fù)載400實現(xiàn)了在燃料電池300的陽極和陰極之間的電通路。可包括附加泵(未示出)以將否則聚集起來有可能堵塞多孔通路的水從電極基體312、332上除去。
接下來參照圖2A和2B，框圖中示出了本系統(tǒng)的多個變型，所述變型被構(gòu)造用以減小燃料電池300中氫-氧界面。陽極流體通路340通過燃料供應(yīng)閥342使燃料源100A與陽極310流體相連。氧源100B與陰極流動通路350流體相連以使氧能夠流動通過陰極330。如在所述圖中特別示出，循環(huán)回路352被設(shè)置在陰極流動通路350中以使在氫和氧反應(yīng)中產(chǎn)生的吹掃流體(比如富氮氣體)進行再循環(huán)。除了通過消耗氧促進吹掃流體的形成，循環(huán)回路352促進多個電池之間的電壓均勻性。循環(huán)回路352包括壓力源360、燃燒器370、氧傳感器380和冷卻器390，所有這些元件皆流體相連，以幫助多種流體在運行瞬態(tài)期間反復(fù)通過陰極330，使得通過適當(dāng)?shù)拇呋蛘呷紵磻?yīng)可減少特定物質(zhì)。盡管圖中僅示出了一個冷卻器390(可為熱交換器的形式)，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解可以使用附加的冷卻器，以及其它用于設(shè)置冷卻器390的位置。通過再循環(huán)氫、氧和產(chǎn)生的吹掃流體(總地來說，再循環(huán)流體)通過冷卻器390多次，產(chǎn)生較小的溫升，由此減小了系統(tǒng)的熱負(fù)荷。陰極出口閥354設(shè)置在陰極330的下游用以控制陰極330的排出口與循環(huán)回路352之間的流體流動，而陰極流動通路再循環(huán)閥356允許選擇性地引入在陰極330上游循環(huán)的流體。優(yōu)選地，壓力源360為空氣壓縮機。不需要在運行瞬態(tài)期間(比如在啟動或關(guān)閉過程中)關(guān)閉氧源100B，這是因為由于陰極出口閥354關(guān)閉而存在的冒口(deadhead)使附加的空氣不會流入循環(huán)回路352而造成的。通過燃料惰化閥344和吹掃閥346而在陽極流動通路340和陰極流動通路350之間形成流體連通，所述兩個閥可以獨立或者一前一后進行致動從而在流動通路340、350之間實現(xiàn)所需的流體流動。
另一個可以被結(jié)合到本發(fā)明系統(tǒng)中的特征是設(shè)置在循環(huán)回路352中用以燃燒過剩燃料的燃燒器370(也被稱為燃燒室)。盡管只要兩種反應(yīng)物質(zhì)都存在于循環(huán)回路352中，在陰極330上就會持續(xù)發(fā)生氫和氧之間的催化反應(yīng)，燃燒室370的燃燒過程可通過更快地消耗燃料而加速系統(tǒng)的瞬態(tài)操作，以及減小產(chǎn)生陰極過熱的可能性。為了進一步加速所述反應(yīng)，可使用多個燃燒器而不是單個燃燒器。優(yōu)選地，同時使用燃燒器370和在陰極330上的催化反應(yīng)，以組合出除氫速度和完全性的最佳特性。在一個附加的特征中，燃燒器370可包括設(shè)置在其中的催化元件以進一步使氫和空氣中的氧進行反應(yīng)。在這種情況下，可對燃燒器元件(未示出)進行催化涂覆和電加熱。在任一種構(gòu)造中，可反應(yīng)物質(zhì)的迅速和完全的去除是有利的，這是因為這樣可以允許進行快速啟動并且最小化前面提到的過剩的關(guān)閉能量水平，否則可能作為在陽極上形成氫-空氣界面的結(jié)果而產(chǎn)生。在這樣例子中，沒有本發(fā)明的系統(tǒng)，將產(chǎn)生過量的電壓電位而使載體314B受到損害。
燃料電池系統(tǒng)1的關(guān)閉順序優(yōu)選從關(guān)閉燃料供應(yīng)閥342開始，從而停止燃料向陽極310的流動。接著關(guān)閉陰極出口閥354，同時打開陰極流動通路再循環(huán)閥356，以驅(qū)使排出陰極330的流體進入循環(huán)回路352。此外，壓力源360(比如空氣壓縮機)工作以促使流體流動通過循環(huán)回路352，盡管應(yīng)該意識到如果流體已受到足夠大的加壓，那么可不需要這種附加壓力。需要循環(huán)回路352以使流體移動通過燃燒器370或陰極330，從而使得空氣與燃料混合并在合適的催化劑上發(fā)生反應(yīng)。在流體再循環(huán)期間可以調(diào)節(jié)燃料惰化閥344，從而向再循環(huán)流體中引入氫，由此與仍然存在于其中的所有氧進行反應(yīng)。氧傳感器380可被用以追蹤記錄仍然存在于循環(huán)回路352中的氧。在下面討論的有必要進行持續(xù)吹掃的情況下，氧傳感器380可被用以保持氫與氧之間的化學(xué)計量比。特別如圖2A所示，所述反應(yīng)可以發(fā)生在燃燒器370中的催化劑上，此后，在將其引入陰極330之前，通過使流體流動通過熱交換器(以冷卻器390的形式存在)可以減少由燃燒過程在流體中產(chǎn)生的過剩熱量。這樣的冷卻器可具有雙重作用，該冷卻器還可用于冷卻排出空氣壓縮機的空氣。另一種可選的構(gòu)造，如圖2B所示，允許反應(yīng)可以發(fā)生在陰極330的催化劑上。這一變型體現(xiàn)出更簡單的部件布置，有可能取消對分離的燃燒室和相關(guān)聯(lián)的冷卻機構(gòu)的需要。根據(jù)所需的反應(yīng)速度，可以使用一種構(gòu)造或者兩種構(gòu)造的組合。在以上任何一種構(gòu)造中，一旦再循環(huán)流體中的氧被消耗，則打開吹掃閥346以使陽極流動通路340和陰極流動通路350流體連通。這樣允許當(dāng)前的流體(現(xiàn)在基本不含氧)進入循環(huán)回路352以吹掃陽極310的殘留燃料和其它流體。在向陰極提供氧的流體是空氣的情況下，可以理解的是一旦氧被基本除去之后，剩余流體將幾乎專門包括氮以及微量其它氣體。由于氮是惰性的，其存在確保了吹掃陽極和陰極的合適的良性流體。此外，如果需要，氮自身可以很容易地被吹掃去除。優(yōu)選地，吹掃流體從陰極330出口抽出，以利用陰極330的全部空間進行吹掃。盡管通常的情況是，燃料電池內(nèi)陰極的流體容量大于陽極的流體容量，但是存在著陽極需要附加的吹掃流體的情況。在這樣的情況下，可以對通過燃料惰化閥344進入陰極回路350中的燃料流量進行調(diào)節(jié)，以使陰極流動通路350中的燃料與氧之間保持基本的化學(xué)計量比。可以包括一個基于反饋的控制器(未示出)，并且其基于氧傳感器380傳輸?shù)男盘?，可用于在通過循環(huán)回路352的流體中保持所需的燃料-氧混合比。一旦氫已經(jīng)從陽極310上吹掃除去，可以使用空氣(或者如果需要可使用其它流體)對陽極進行吹掃。在這種情況下，關(guān)閉燃料惰化閥344，使循環(huán)回路352中已受到壓力源360加壓的流體通過吹掃閥346流入陽極310。這一最后步驟確保在燃料電池300的非活性期間，在陽極310和陰極330上都存在有空氣。
燃料電池系統(tǒng)1的啟動順序包括關(guān)閉陰極出口閥354，同時打開陰極流動通路再循環(huán)閥356以驅(qū)使流體排出陰極330進入循環(huán)回路352中。如前面提到的關(guān)閉順序的情況一樣，如果需要的話，壓力源360工作以促使流體流動通過循環(huán)回路352。在流體再循環(huán)期間可以調(diào)節(jié)燃料惰化閥344，以允許將氫引入循環(huán)流體中，由此與仍然存在于其中的所有氧進行反應(yīng)。如前所述，所述反應(yīng)可在如圖2A和圖2B所示任一實施例的裝置中在燃燒室370中的催化劑上發(fā)生、在陰極330上發(fā)生、或者在兩者上發(fā)生。打開吹掃閥346使陽極流動通路340和陰極流體通路350流體連通。這樣允許當(dāng)前的流體(現(xiàn)在基本不含氧)進入循環(huán)回路352以吹掃陽極310的殘留空氣和其它流體。優(yōu)選地，吹掃流體從陰極330出口抽出，以利用陰極330的全部空間進行吹掃。同樣如前所述，可以對通過燃料惰化閥344進入陰極回路350中的燃料流量進行調(diào)節(jié)，以使陰極流動通路350中的燃料與氧之間保持基本的化學(xué)計量比?？梢园ㄒ粋€基于反饋的控制器(未示出)，并且其基于氧傳感器380傳輸?shù)男盘?，可用于在通過循環(huán)回路352的流體中保持所需的燃料-氧混合比。一旦氧已經(jīng)從陽極310上吹掃除去，接著向陽極充注氫開始正常工作。在這時(即使不是在之前)，關(guān)閉燃料惰化閥344和吹掃閥346，同時打開燃料供應(yīng)閥342。在正常工作期間，可以與如上所述相似的方式調(diào)節(jié)燃料的流量，包括使用控制器。通過打開吹掃閥346使空氣流入陽極310。相似地，可通過打開燃料惰化閥344使氫流入陰極330，由此提供附加加熱，在當(dāng)燃料電池暴露于低溫環(huán)境中時有助于啟動。
接下來結(jié)合圖1，參照圖3，圖中示出了結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的車輛。燃料電池300與燃料供應(yīng)裝置100A流體相連。盡管圖中所示車輛為汽車，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解在其它車輛形式中的燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
雖然為了說明本發(fā)明的目的已經(jīng)示出了一些典型的實施例，但是很顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離由所附權(quán)利要求限定出的本發(fā)明的范圍的情況下，可對本發(fā)明作出許多種改變。
權(quán)利要求
1.一種運行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括構(gòu)造所述系統(tǒng)，以使其包括至少一個包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的膜的燃料電池；被構(gòu)造用以連接所述陽極和燃料源的陽極流動通路；和被構(gòu)造用以連接所述陰極和氧源的陰極流動通路，所述陰極流動通路包括設(shè)置在其中的循環(huán)回路；斷開所述燃料源與所述陽極的連接；通過所述循環(huán)回路使設(shè)置在所述陰極流動通路中的流體進行再循環(huán)；將燃料引入所述循環(huán)回路；使所述燃料與所述再循環(huán)流體進行反應(yīng)直到所述再循環(huán)流體變?yōu)榛旧鲜茄跸膬舻?；以及將氧基本耗盡的流體引入所述陽極流動通路，從而使得基本上從其中吹掃除去先前存在于所述陽極流動通路中的所有流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述構(gòu)造所述系統(tǒng)的步驟包括流體連接壓力源與所述燃料源和所述氧源中的至少一個的附加步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括對包含在所述循環(huán)回路內(nèi)的流體進行加壓的附加步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述再循環(huán)步驟進一步包括關(guān)閉設(shè)置在所述循環(huán)回路內(nèi)的陰極出口閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述再循環(huán)步驟進一步包括打開設(shè)置在所述循環(huán)回路內(nèi)的陰極流動通路再循環(huán)閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述將氧基本耗盡的氣體引入所述陽極流動通路的步驟包括打開流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的吹掃閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述吹掃閥被設(shè)置在所述陰極與陰極出口閥之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述將燃料引入所述循環(huán)回路中的步驟包括調(diào)節(jié)流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的燃料惰化閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述系統(tǒng)至少限定所述系統(tǒng)產(chǎn)生電能的第一工作狀態(tài)、所述系統(tǒng)不產(chǎn)生電能的第二工作狀態(tài)、和瞬時處于所述第一工作狀態(tài)和所述第二工作狀態(tài)之間的第三工作狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述斷開連接、再循環(huán)、反應(yīng)以及兩個引入步驟構(gòu)成了第三工作狀態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括一旦所述氧基本耗盡的流體已大體上對所述陽極流動通路進行吹掃，那么用燃料充注所述陽極流動通路的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述一旦所述氧基本耗盡的流體已大體上對所述陽極流動通路進行吹掃，那么用燃料充注所述陽極流動通路的步驟包括流體隔開所述陽極流動通路與所述陰極流動通路，并且流體連接所述燃料源與所述陽極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述流體隔開所述陽極流動通路與所述陰極流動通路的步驟包括關(guān)閉設(shè)置在二者之間的吹掃閥。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述流體隔開所述陽極流動通路與所述陰極流動通路的步驟進一步包括關(guān)閉設(shè)置在二者之間的燃料惰化閥。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述流體連接所述燃料源與所述陽極的步驟包括打開設(shè)置在所述陽極流動通路內(nèi)的燃料供應(yīng)閥。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括使所述系統(tǒng)設(shè)置處于所述第一工作狀態(tài)的附加步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括調(diào)節(jié)所述燃料的流量直至達到穩(wěn)態(tài)運行的附加步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括從所述氧源向所述陽極中釋放流體從而有助于所述第一工作狀態(tài)的附加步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述釋放步驟包括打開流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的吹掃閥。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括從所述燃料源向所述陰極中釋放燃料從而有助于所述第一工作狀態(tài)的附加步驟。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述向所述陰極中釋放燃料的步驟包括打開流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的燃料惰化閥。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括調(diào)節(jié)引入所述陰極流動通路中的燃料量以保持所述再循環(huán)流體中具有基本的燃料-氧混合化學(xué)計量比至少直至所述氧在所述反應(yīng)步驟中大體上被消耗掉的附加步驟。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)燃料量的步驟包括感應(yīng)到存在于所述再循環(huán)流體中的氧的量，并且按照保持所述基本的化學(xué)計量比所需的量對流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的燃料惰化閥進行調(diào)節(jié)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料是富氫的。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述燃料從包括甲醇、氫氣、甲烷和汽油的組中進行選擇。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧源包括空氣。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)步驟發(fā)生在與所述陰極流動通路流體相連的燃燒器中。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，包括冷卻在所述反應(yīng)步驟期間產(chǎn)生的產(chǎn)物的附加步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，包括通過將冷卻器設(shè)置在所述燃燒器與所述至少一個燃料電池之間而實現(xiàn)所述冷卻步驟的附加步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述反應(yīng)步驟發(fā)生在設(shè)置在所述陰極上的催化劑上。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述將氧基本耗盡的流體引入所述陽極流動通路中的步驟包括流體連接位于所述陰極下游的所述陰極流動通路與所述陽極中的進口部位。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括一旦所述先前剩留的燃料已基本被吹掃除去，用空氣充注所述陽極流動通路的附加步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中通過關(guān)閉燃料惰化閥并且打開吹掃閥而執(zhí)行所述用空氣充注所述陽極流動通路的步驟，每個所述閥被設(shè)置在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過關(guān)閉燃料供應(yīng)閥而實施所述斷開所述陽極與所述燃料源的連接的步驟。
35.一種準(zhǔn)備燃料電池系統(tǒng)啟動的方法，所述方法包括構(gòu)造所述系統(tǒng)，以使其包括至少一個包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的膜的燃料電池；被構(gòu)造用以連接所述陽極和燃料源的陽極流動通路；被構(gòu)造用以連接所述陰極和氧源的陰極流動通路，所述陰極流動通路包括設(shè)置在其中的循環(huán)回路；和被構(gòu)造用以在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間形成流體連通的多個閥；將來自所述燃料源的燃料引入所述陰極流動通路；通過所述循環(huán)回路使設(shè)置在所述陰極流動通路中的流體進行再循環(huán)；將燃料引入所述循環(huán)回路；使所述燃料與所述再循環(huán)流體進行反應(yīng)直到所述再循環(huán)流體變?yōu)榛旧鲜茄跸膬舻模灰约皩⑺鲅趸竞谋M的流體引入所述陽極流動通路，從而使得基本上從其中吹掃除去先前存在于所述陽極流動通路中的所有流體。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述引入所述氧基本耗盡的流體的步驟包括打開流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的吹掃閥，且隨后打開流體連接所述燃料源與所述陽極的燃料供應(yīng)閥。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，包括從氧源釋放流體進入所述陽極用以促使低溫啟動的附加步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其中所述將空氣釋放進入所述陽極的步驟包括打開設(shè)置在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間的吹掃閥。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，包括從所述燃料源向所述陰極中釋放燃料以促進低溫啟動的附加步驟。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其中所述釋放燃料的步驟包括打開流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的燃料惰化閥。
41.一種瞬態(tài)運行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述方法包括構(gòu)造所述系統(tǒng)以至少限定所述系統(tǒng)產(chǎn)生電能的第一工作狀態(tài)和所述系統(tǒng)不產(chǎn)生電能的第二工作狀態(tài)，所述系統(tǒng)包括至少一個包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的膜的燃料電池；被構(gòu)造用以連接所述陽極和燃料源的陽極流動通路；被構(gòu)造用以連接所述陰極和氧源的陰極流動通路，所述陰極流動通路包括設(shè)置在其中的循環(huán)回路；設(shè)置在所述循環(huán)回路內(nèi)以選擇性地允許流體再循環(huán)通過的至少一個閥；流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的吹掃閥；和流體連接所述陽極流動通路和所述陰極流動通路的燃料惰化閥；和與所述氧源相連的壓力源；將所述系統(tǒng)置于所述第一或第二工作狀態(tài)之一；斷開所述陽極與所述燃料源之間的連接；布置設(shè)置在所述循環(huán)回路中的所述至少一個閥，使得受到所述壓力源加壓的所述流體可再循環(huán)通過所述回路；布置所述燃料惰化閥使得燃料可從所述燃料源被引入所述陰極流動通路中；使所述燃料與所述再循環(huán)流體進行反應(yīng)直到所述再循環(huán)流體變?yōu)榛旧鲜茄跸膬舻?；以及打開所述吹掃閥以使所述氧基本耗盡的流體被引入所述陽極流動通路，從而基本上吹掃清除所述陽極流動通路。
42.一種裝置，包括至少一個包括陽極、陰極和設(shè)置在所述陽極和陰極之間的膜的燃料電池；被構(gòu)造用以連接所述陽極和燃料源的陽極流動通路；被構(gòu)造用以連接所述陰極和氧源的陰極流動通路，所述陰極流動通路包括設(shè)置在其中的循環(huán)回路；和被構(gòu)造用以在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間形成流體連通的多個閥，所述多個閥包括設(shè)置在所述燃料源和所述陽極之間的燃料供應(yīng)閥；至少一個設(shè)置在所述循環(huán)回路內(nèi)以選擇性地允許流體在回路中進行再循環(huán)的閥；設(shè)置在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間以允許選擇性地使二者之間流體連通的燃料惰化閥；和設(shè)置在所述陽極流動通路和所述陰極流動通路之間以允許選擇性地使二者之間流體連通的吹掃閥。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，進一步包括與所述燃料源和所述氧源中的至少一個相連的壓力源。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述設(shè)置在所述循環(huán)回路中的至少一個閥，包括被構(gòu)造用以在所述陰極流動通路中選擇性地控制排氣管路中的背壓的陰極出口閥；和設(shè)置在所述氧源與所述壓力源之間的陰極流動通路再循環(huán)閥。
45.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述壓力源包括空氣壓縮機。
46.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，進一步包括被構(gòu)造用以促進燃料與氧之間的反應(yīng)的燃燒器。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，進一步包括流體連接至所述燃燒器下游的冷卻器。
48.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，進一步包括設(shè)置在所述陰極上的催化劑。
49.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，進一步包括被構(gòu)造用以調(diào)節(jié)引入所述陰極流動通路的燃料量的控制器。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的裝置，進一步包括氧傳感器，從而使得所述控制器被構(gòu)造用以響應(yīng)于由所述氧傳感器發(fā)出的信號操縱所述多個閥。
51.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述裝置進一步包括被構(gòu)造用以獲取由所述燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電力并將其轉(zhuǎn)換為促動功率的功率轉(zhuǎn)換機構(gòu)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述裝置進一步包括被構(gòu)造用以容納所述燃料電池系統(tǒng)和所述功率轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運載工具，所述運載工具響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換機構(gòu)中產(chǎn)生的所述促動功率可進行移動。
全文摘要
用于操作燃料電池系統(tǒng)的方法和裝置。一條與燃料電池陰極相連的循環(huán)回路確保通過該陰極的流體進行再循環(huán)，由此使在再循環(huán)流體中殘留的氧與已被引入到所述循環(huán)回路中的燃料發(fā)生反應(yīng)，直至基本上所有氧都反應(yīng)完，在陰極和相關(guān)的流動通路中留下基本上無氧的主要為氮的化合物。此后，這一化合物可被重新引導(dǎo)以對在燃料電池的陽極和相關(guān)的流動通路中剩留的殘留氫進行吹掃。同時，本發(fā)明可適用于系統(tǒng)運行的任何時期，本發(fā)明對于與啟動和關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的運行狀態(tài)特別具有價值，從而防止產(chǎn)生可使燃料電池催化劑或催化劑載體受到損壞的高電壓電位。
文檔編號H01M8/02GK1853299SQ200480026901
公開日2006年10月25日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月17日
發(fā)明者S·G·格貝爾 申請人:通用汽車公司