專利名稱：燃料電池組件運行過程中的啟動和關(guān)閉程序的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明主要涉及燃料電池。特別是，本發(fā)明涉及用于啟動和關(guān)閉燃料電池組件從而實現(xiàn)延長的運行壽命的技術(shù)。
背景技術(shù)：
燃料電池是眾所周知的。典型布置包括燃料處理部分和燃料電池堆或燃料電池部分。燃料電池組件按照已公知的方式運行以產(chǎn)生電功率。
燃料電池組件的設計者面臨的一個挑戰(zhàn)在于以經(jīng)濟的方式實現(xiàn)長的運行壽命。影響燃料電池組件的使用壽命的因素有很多。例如，燃料電池組件從運行狀態(tài)被關(guān)閉且被置于貯存狀態(tài)的方式影響了燃料電池組件在壽命期間經(jīng)歷的性能衰減。特別是，由于溫度和電化學電位的組合效應而使含碳催化劑載體產(chǎn)生的氧化導致以至少部分地取決于關(guān)閉燃料電池組件所采用程序的速率產(chǎn)生性能損失。
已經(jīng)提出了設法延長燃料電池組件的使用壽命的多種技術(shù)。例如，美國專利No.5,045,414披露了在關(guān)閉程序中利用氧-氮氣體作為用于磷酸燃料電池的陰極側(cè)的吹掃氣體的內(nèi)容。該專利還給出了利用輔助電負載降低陰極電位的教導。美國專利No.6,519,510披露了將燃料電池從運行溫度冷卻至轉(zhuǎn)變溫度的內(nèi)容，且燃料電池部分在開始進行吹掃程序之前在空載狀態(tài)下運行。美國專利No.6,635,370披露了包括以旨在延長燃料電池壽命的方式選擇性地控制空氣流并降低電池電壓的步驟的關(guān)閉和啟動程序。
本領域的技術(shù)人員總是努力進行改進。本發(fā)明提供了獨特的關(guān)閉和啟動程序，所述程序提供了使燃料電池組件的使用壽命延長的優(yōu)良結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
一種燃料電池組件運行過程中的典型啟動程序包括加熱所述組件中的至少燃料電池部分和燃料處理部分從而使受到加熱的部分達到選定的運行溫度。在將那些部分加熱至所述運行溫度的同時，利用具有小于約2％的氫的氫-氮混合物對所述燃料電池部分的陽極和陰極流場進行周期性吹掃。在一個實例中，所述混合物中具有小于約0.1％的氫。
當至少所述燃料處理部分的溫度對應于所述選定的運行溫度時，反應劑開始流向所述燃料處理部分。當至少所述燃料電池部分的溫度對應于所述選定的運行溫度時，富氫燃料開始流向所述陽極流場。被聯(lián)接至所述燃料電池部分的任何輔助電負載被停用(disabled)。
隨后開始進行使所述空氣流通往所述陰極流場的過程且所述燃料電池部分被連接到處于至少空載狀態(tài)的主電負載上。
一種燃料電池組件運行過程中的典型關(guān)閉程序包括當所述燃料電池部分被聯(lián)接至空載時，將所述燃料電池部分的平均溫度從運行溫度降至選定的降低溫度。一旦達到所述選定的溫度，則使所述主電負載與所述燃料電池部分脫開連接。同時進行終止使空氣流通往所述燃料電池部分的陰極流場的過程和將輔助電負載連接到所述燃料電池部分上的過程使得所述燃料電池部分的電壓降低至小于約0.2伏特/電池。
具有小于約2％的氫的氫-氮混合物流開始流動通過所述陰極流場。在一個實例中，所使用的混合物體積為所述陰極流場的空隙容積的至少約3倍。在終止使烴燃料流通往所述燃料處理部分的過程的同時，終止使富氫燃料流通往所述燃料電池部分的過程。具有小于約2％的氫的氫-氮混合物開始流動通過所述燃料電池部分和所述燃料處理部分的陽極流場。在一個實例中，所使用的混合物體積分別為所述陽極流場的空隙容積和所述燃料處理部分的空隙容積的至少約3倍。
所述燃料電池部分隨后被冷卻至選定的貯存溫度。在冷卻所述燃料電池部分的同時，利用具有小于約2％的氫的氫-氮混合物對所述陰極流場、所述陽極流場和所述燃料處理部分進行周期性吹掃。
一旦所述燃料電池部分已經(jīng)達到所述選定的貯存溫度，則利用具有小于約2％的氫的氫-氮混合物對所述陰極流場、所述陽極流場和所述燃料處理部分進行周期性吹掃。
在一個實例中，在所述關(guān)閉程序的各個階段中使用的進行吹掃的氫-氮混合物具有小于約0.1％的氫。
從下面對目前優(yōu)選的實施例進行的詳細描述中，本領域的技術(shù)人員將更易于理解本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點。該詳細描述的附圖可簡要說明如下。


圖1示意性地示出了可利用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例設計的程序運行的燃料電池組件的選定部分。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了包括燃料電池部分22的燃料電池組件20。正如已公知地，燃料電池部分22包括燃料電池，所述燃料電池包括陽極24和陰極26。正如已公知地，陽極24和陰極26分別包括催化劑層和流場。典型的燃料電池部分22包括燃料電池堆以便存在多個陽極和陰極。在一個實例中，燃料電池部分22包括磷酸燃料電池堆。燃料電池部分22按照已公知的方式運行。
燃料處理部分28按照已公知的方式運行。燃料處理部分28包括已公知的元件如加氫脫硫器(hydrodesulfurizer)、蒸汽重整器和水煤氣變換反應器。在一個實例中，蒸汽重整器中的催化劑是賤金屬(basemetal)如鎳且變換反應器中的催化劑是賤金屬如銅。對于含鎳重整器而言，在關(guān)閉程序中必須利用惰性氣體對其進行吹掃以防止出于已公知的原因而形成羰基鎳。對于含銅的變換反應器而言，在關(guān)閉程序中必須利用惰性氣體對其進行吹掃以防止銅產(chǎn)生氧化，所述氧化將要不然降低其活度。
一種典型的燃料處理部分28具有位于重整器和變換反應器中的貴金屬催化劑。燃料處理部分28中的這種含貴金屬的部件可暴露于空氣中而不會產(chǎn)生有害結(jié)果。在啟動或關(guān)閉程序中不必利用氫-氮混合物對這些含貴金屬的元件進行吹掃。在這種實例中，將利用如下所述的氫-氮混合物僅對一些燃料處理部分進行吹掃。因此，在本說明書中對燃料處理部分所受到的吹掃過程進行的描述應該被理解為僅涉及將受益于這種吹掃的這種部件。
典型的燃料電池組件20具有延長的運行壽命，部分原因在于獨特的啟動和關(guān)閉程序減輕了性能隨時間的衰減，從而使得延長了使用壽命且降低了組件20產(chǎn)生的電功率的成本。
用于使燃料電池組件20運行的典型啟動程序包括加熱至少燃料電池部分和燃料電池處理部分28的適當部分以使得受到加熱的部分達到選定的運行溫度。在將那些部分加熱至該運行溫度的同時，利用來自供應裝置30的吹掃氣體對陽極24和陰極26的流場進行周期性吹掃。
在一個實例中，吹掃氣體是氫和惰性氣體的混合物，所述混合物具有小于約2％的氫。在一個優(yōu)選實例中，混合物具有小于約0.1％的氫。
對于吹掃氣體而言，氫-氮混合物要優(yōu)于氧-氮混合物。所披露實例中的氫-氮混合物所導致的性能損失更低且因此延長了組件20的使用壽命。
所披露實例中所使用的吹掃氣體是氫-氮混合物。氮可由任何惰性氣體代替，所述惰性氣體包括氦、氖、氬、氪、氙和氡。氮還可由在燃料電池環(huán)境中呈惰性的任何氣體代替。這種氣體的一個實例是二氧化碳。
當至少燃料處理部分2 8的溫度對應于選定的運行溫度時，反應劑流開始流向燃料處理部分28。當至少燃料電池部分22的溫度對應于選定的運行溫度時，富氫燃料流開始流向陽極24的流場。在該程序中的大約該點處，利用已公知的技術(shù)使被聯(lián)接至燃料電池部分的任何輔助電負載40被停用。所進行的說明包括按照已公知的方式運行以降低非使用期間的電池電位的輔助負載40。
隨后開始進行使空氣流通往陰極26的流場的過程且利用已公知的技術(shù)將燃料電池部分22連接至處于至少空載狀態(tài)的主電負載42。在一些情況下，由于主負載42的相應條件的原因，燃料電池部分22上的初始負載將大于空載。
用于使燃料電池組件20運行的典型關(guān)閉程序包括當被聯(lián)接至燃料電池部分22的主負載42處于空載狀態(tài)時，將燃料電池部分22的平均溫度從運行溫度降至選定的降低溫度。在一個實例中，在約250 ASF的負載下的運行溫度大于約350(177℃)且在約50 ASF的負載下的選定的降低溫度為約300(150℃)。一旦達到選定的溫度，則利用已公知的技術(shù)使主電負載42與燃料電池部分22脫開連接。同時進行終止使空氣流通往陰極26的流場的過程和將輔助電負載40連接至燃料部分22的過程降低了燃料電池部分22的電壓。在一個實例中，降低的電壓小于約0.2伏特/電池。
氫-氮混合物吹掃氣體流開始流動通過陰極26的流場。通過終止使烴燃料流通往燃料處理部分28的過程而終止使富氫燃料流通往燃料電池部分22的過程。來自源30的氫-氮混合物開始流動通過陽極24的流場和燃料處理部分28。在一個實例中，所使用的吹掃氣體體積分別為陽極24的流場的空隙容積和燃料處理部分28的空隙容積的至少約3倍。在一個優(yōu)選實例中，在關(guān)閉程序中使用的進行吹掃的氫-氮混合物具有小于約0.1％的氫。
燃料電池部分22隨后被冷卻至選定的貯存溫度。在一個實例中，貯存溫度在約110-140(43℃-60℃)的范圍內(nèi)。在冷卻燃料電池部分22的同時，利用氫-氮混合物對陰極26的流場、陽極24的流場和燃料處理部分28進行周期性吹掃。
一旦燃料電池部分22已經(jīng)達到該選定的貯存溫度，則在一個實例中，利用氫-氮混合物對陰極26的流場、陽極24的流場和燃料處理部分28進行周期性吹掃。
典型關(guān)閉程序的一個獨特特征在于利用氫-氮混合物對陰極26的流場和燃料處理部分28進行吹掃。對陰極26進行的吹掃使空氣或廢空氣分別移動離開氧化劑入口和出口歧管。這使得與簡單地終止使空氣流通往陰極26的方式相比，陰極26產(chǎn)生了更為有效的減活。
燃料電池組件的運行存在潛在的應用情況，在所述應用情況中，燃料是純氫而不是重整烴燃料。一種這類氫源是利用已公知的氯堿工藝生產(chǎn)氯的過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物氫。這種燃料電池組件將不包括如前所述的燃料電池處理部分。在一個實例中，這種燃料電池組件的燃料電池部分將仍以前述方式啟動和關(guān)閉。
前面的描述在本質(zhì)上是示例性而非限制性的。本領域的技術(shù)人員將易于理解在不必偏離本發(fā)明的本質(zhì)的情況下對所披露的實例作出的改變和變型。僅可通過研究下列權(quán)利要求書確定賦予本發(fā)明的法律保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種運行具有燃料電池部分的燃料電池組件的方法，所述方法包括執(zhí)行下列程序中的至少一個程序，即啟動程序，所述啟動程序包括(A)加熱所述燃料電池部分以使所述燃料電池部分達到選定的運行溫度；(B)在執(zhí)行所述啟動程序的步驟(A)的同時利用吹掃氣體混合物對所述燃料電池部分的陽極和陰極流場進行周期性吹掃；(C)當所述燃料電池部分的溫度對應于所述選定的運行溫度時，開始進行使所述富氫燃料流通往所述陽極流場的過程；(D)使被聯(lián)接至所述燃料電池部分的任何輔助電負載處于停用狀態(tài)；(E)開始進行使空氣流通往所述陰極流場的過程；并且(F)將所述燃料電池部分連接到至少空載主電負載上；或關(guān)閉程序，所述關(guān)閉程序包括(A)當所述燃料電池部分被聯(lián)接到空載主電負載上時，將所述燃料電池部分的平均溫度從運行溫度降至選定的降低溫度；(B)使所述主電負載與所述燃料電池部分脫開連接；(C)終止使空氣流通往所述陰極流場的過程；(D)在執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(C)的同時將輔助電負載連接到所述燃料電池部分上，由此將所述燃料電池部分的電壓降低至小于0.2伏特/電池；(E)供應吹掃氣體混合物流使其通過所述陰極流場；(F)終止使富氫燃料流通往所述燃料電池部分的過程；(G)將吹掃氣體混合物流供應至所述陽極流場；(H)將所述燃料電池部分冷卻至選定的貯存溫度；并且(I)在執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(H)的同時利用吹掃氣體混合物對所述陰極流場和所述陽極流場進行周期性吹掃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述關(guān)閉程序包括在所述燃料電池部分已經(jīng)達到所述選定的貯存溫度之后利用所述吹掃氣體混合物對所述陰極流場和所述陽極流場進行周期性吹掃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括執(zhí)行所述啟動程序和所述關(guān)閉程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述吹掃氣體混合物包括量小于2％的氫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述啟動程序的所述吹掃氣體混合物包括具有小于約0.1％的氫的氫-氮混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述關(guān)閉程序的步驟(A)的所述運行溫度為至少約350(177℃)且所述選定的降低溫度為約300(150℃)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述運行溫度對應于約250ASF的負載且所述選定的降低溫度對應于約50ASF的負載。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于所述關(guān)閉程序的所述吹掃氣體混合物包括具有小于約0.1％的氫的氫-氮混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述關(guān)閉程序的步驟(H)的所述選定的貯存溫度在約110(43℃)至約140(60℃)的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池組件包括燃料處理部分且所述啟動程序包括在執(zhí)行所述啟動程序的步驟(A)的同時加熱所述燃料處理部分的至少選定部件以使至少所述選定部件達到選定的運行溫度；并且當所述燃料處理部分的溫度對應于所述選定的運行溫度時，開始進行使反應劑流通往所述燃料處理部分的至少選定部件的過程。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述燃料電池組件包括燃料處理部分且所述關(guān)閉程序包括通過終止使烴燃料流通往所述燃料處理部分的至少選定部件的過程而執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(F)；在執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(G)的同時將吹掃氣體混合物流供應至所述燃料處理部分的至少選定部件；并且在執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(H)和(I)的同時利用所述吹掃氣體混合物對所述燃料處理部分的至少選定部件進行周期性吹掃。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述關(guān)閉程序包括在所述燃料電池部分已經(jīng)達到所述選定的貯存溫度之后利用所述吹掃氣體混合物對所述燃料處理部分的至少所述選定部件、所述陰極流場和所述陽極流場進行周期性吹掃。
13.一種啟動具有燃料電池部分的燃料電池組件的方法，所述方法包括以下步驟(A)加熱所述燃料電池部分以使所述燃料電池部分達到選定的運行溫度；(B)在執(zhí)行所述啟動程序的步驟(A)的同時利用吹掃氣體混合物對所述燃料電池部分的陽極和陰極流場進行周期性吹掃；(C)當所述燃料電池部分的溫度對應于所述選定的運行溫度時，開始進行使所述富氫燃料流通往所述陽極流場的過程；(D)使被聯(lián)接至所述燃料電池部分的任何輔助電負載處于停用狀態(tài)；(E)開始進行使空氣流通往所述陰極流場的過程；并且(F)將所述燃料電池部分連接到至少空載主電負載上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述吹掃氣體混合物包括量小于2％的氫。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述吹掃氣體混合物包括具有小于約0.1％的氫的氫-氮混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述燃料電池組件包括燃料處理部分且所述方法包括在執(zhí)行步驟(A)的同時加熱所述燃料處理部分的至少選定部件以使至少所述選定部件達到選定的運行溫度；并且當所述燃料處理部分的溫度對應于所述選定的運行溫度時，開始進行使反應劑流通往所述燃料處理部分的至少選定部件的過程。
17.一種關(guān)閉具有燃料電池部分的燃料電池組件的方法，所述方法包括以下步驟(A)當所述燃料電池部分被聯(lián)接到空載主電負載上時，將所述燃料電池部分的平均溫度從運行溫度降至選定的降低溫度；(B)使所述主電負載與所述燃料電池部分脫開連接；(C)終止使空氣流通往所述陰極流場的過程；(D)在執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(C)的同時將輔助電負載連接到所述燃料電池部分上，由此將所述燃料電池部分的電壓降低至小于0.2伏特/電池；(E)供應吹掃氣體混合物流使其通過所述陰極流場；(F)終止使富氫燃料流通往所述燃料電池部分的過程；(G)將吹掃氣體混合物流供應至所述陽極流場；(H)將所述燃料電池部分冷卻至選定的貯存溫度；并且(I)在執(zhí)行所述關(guān)閉程序的步驟(H)的同時利用吹掃氣體混合物對所述陰極流場和所述陽極流場進行周期性吹掃。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括在所述燃料電池部分已經(jīng)達到所述選定的貯存溫度之后利用所述吹掃氣體混合物對所述陰極流場和所述陽極流場進行周期性吹掃。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中步驟(A)的所述運行溫度為至少約350(177℃)且所述選定的降低溫度為約300(150℃)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述吹掃氣體混合物包括量小于2％的氫。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述吹掃氣體混合物包括具有小于約0.1％的氫的氫-氮混合物。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中步驟(H)的所述選定的貯存溫度在約110(43℃)至約140(60℃)的范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述燃料電池組件包括燃料處理部分且所述方法包括通過終止使烴燃料流通往所述燃料處理部分的至少選定部件的過程而執(zhí)行步驟(F)；在執(zhí)行步驟(G)的同時將包括小于約2％的氫的吹掃氣體混合物流供應至所述燃料處理部分的至少選定部件；并且在執(zhí)行步驟(H)和(I)的同時利用所述吹掃氣體混合物對所述燃料處理部分的至少選定部件進行周期性吹掃。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，包括在所述燃料電池部分已經(jīng)達到所述選定的貯存溫度之后利用所述吹掃氣體混合物對所述燃料處理部分的至少所述選定部件、所述陰極流場和所述陽極流場進行周期性吹掃。
全文摘要
一種燃料電池組件(20)具有延長的運行壽命，部分原因在于采用了使所述燃料電池組件運行的獨特的啟動和關(guān)閉程序。在所披露的實例中，氫和氮的吹掃氣體混合物包括小于2％的氫以在啟動或關(guān)閉程序中對所述組件的多個部分進行選擇性吹掃。在所披露的實例中，所述氫－氮混合物包含小于0.1％的氫。
文檔編號H01M8/04GK101091142SQ200480044755
公開日2007年12月19日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者R·D·布勞爾特, C·小羅爾巴赫 申請人:Utc電力公司