專利名稱：用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的凈化程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池發(fā)電設(shè)備，該發(fā)電設(shè)備適用于運輸車輛、便 攜式發(fā)電設(shè)備中，或用作固定發(fā)電設(shè)備，且本發(fā)明尤其涉及燃料電池 發(fā)電設(shè)備的凈化程序，用于在發(fā)電設(shè)備的工作周期之間執(zhí)行凈化周 期，以從發(fā)電設(shè)備的燃料電池電極去除污染物。
背景技術(shù)：
燃料電池發(fā)電設(shè)備是眾所周知的，且一般用于從包含氫的還原流 體燃料和包含氧的氧化劑反應物流產(chǎn)生電能，從而為諸如發(fā)電機和運 輸車輛這樣的電學設(shè)備供電。在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池發(fā)電設(shè)備中，已
知污染物可以被發(fā)電設(shè)備的燃料電池的電極吸附，發(fā)電設(shè)備的性能由 此惡化。尤其是，已知硫化氫在各種氫燃料中是常見的，且其經(jīng)過燃 料電池時變成陽極催化劑毒物。隨著時間的流逝，即使很小的硫化氫 濃度將對燃料電池性能造成嚴重影響。其它已知的污染物包括氨以及 "直接防凍劑溶液"的有機化合物，例如在共同有的美國專利
No. 6， 316， 135中所公開的化合物，它們也被燃料電池電極吸附。
從燃料電池去除污染物的已知方法包括如2002年3月19日授 權(quán)給Oko等的美國專利6, 358, 639所公開，當燃料電池不工作時，使 例如有機溶劑、過氧化氫或臭氧水的液體去除物質(zhì)流經(jīng)燃料電池。然 而，這種方法必須使用復雜和昂貴的液體泵浦和閥門系統(tǒng)，并且顯著 地中斷燃料電池的工作。2001年10月9日授權(quán)的美國專利6, 299, 996 公開了具有用于使系統(tǒng)的燃料電池從第一工作狀態(tài)切換到第二工作狀 態(tài)的三個閥門的系統(tǒng)的使用，其中在第一工作狀態(tài)，燃料流經(jīng)陽極流 場板，在第二工作狀態(tài)，氧化劑氣體補給流經(jīng)陽極流場板。該系統(tǒng)還 需要具有多個位置的若干復雜閥門以及精細的流通路徑。
因此，需要一種凈化程序，該凈化程序可以從燃料電池電極有效 地去除污染物而不需要大范圍中斷燃料電池發(fā)電設(shè)備的工作，并且不 需要昂貴的、復雜的閥門和流通路徑設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的凈化程序，其中該發(fā)電設(shè) 備包括至少一個燃料電池，用于從包含氫的還原流體燃料和包含氧的 氧化劑反應物流產(chǎn)生電能。電源電路與燃料電池相連，用于將電能從
燃料電池引導到主電學負載。燃料電池包括位于電解質(zhì)相對側(cè)上的 陽極電極和陰極電極；與陽極電極流體連通的陽極流場，用于引導氫 燃料流經(jīng)燃料電池和鄰近陽極電極流過；以及與陰極電極流體連通的 陰極流場，用于引導氧化劑流流經(jīng)燃料電池以及鄰近陰極電極流過。
凈化程序包括以下步驟通過連接主電學負載到燃料電池、引導 氧化劑流流經(jīng)陰極流場、并引導氫燃料流流經(jīng)陽極流場，由此使燃料 電池發(fā)電設(shè)備工作以在工作周期產(chǎn)生電能。只要燃料電池的電能生產(chǎn) 減小預定數(shù)量，例如，由于電極污染減小至少5%，通過使電學負載與 燃料電池斷開而終止工作周期并且啟動凈化周期。接著，在凈化周期， 通過氧化在工作周期吸附在電極上的污染物而凈化燃料電池。然后通 過再次連接主電學負載到燃料電池來使發(fā)電設(shè)備工作，從而終止凈化 周期。凈化周期可以基于燃料中的污染物等，調(diào)整燃料電池發(fā)電設(shè)備 的特定維護計劃的一部分。
在優(yōu)選工作方法中，凈化程序還包括以下步驟通過在凈化周期 使陽極流場和陰極流場暴露于包含氧的氧化劑，例如靜止的大氣空 氣，從而氧化污染物。優(yōu)選地，使用共同所有的美國專利申請序列號 10/305， 300中公開的程序，通過將流從包含氫的流體轉(zhuǎn)換成包含氧化 劑的流體，由此使陽極和陰極流場暴露于包含氧的氧化劑，該專利申 請在2003年7月17日以公開號US 2003/0134164 Al公開，其中描 述了一旦燃料電池停止運轉(zhuǎn)，則使用空氣快速凈化陽極流場，另一優(yōu) 選方法還包括以下步驟通過引導氧化劑流流經(jīng)燃料電池的陽極流場 和陰極流場來氧化污染物。另一優(yōu)選方法包括通過加熱氧化劑，之 后引導加熱的氧化劑流流經(jīng)燃料電池的陽極流場和陰極流場，而氧化 污染物。通過提供流的已知方法，例如，通過氧化劑鼓風機或壓縮機， 或通過供給壓縮的氧化劑等，可以引導氧化劑流流經(jīng)陽極流場。
加熱的氧化劑可以通過與燃料電池的氧化劑入口流體連通的已知 加熱器來加熱。此外，通過引導離開燃料電池的氧化劑流流經(jīng)燃料電 池廢物循環(huán)回路并返回經(jīng)過陽極和陰極流場，可以促進氧化劑或加熱的氧化劑流流經(jīng)陽極流場，從而獲得燃料電池電極更快速和更有效的 凈化。燃料電池本身可以通過本領(lǐng)域中已知的改善凈化程序的任意其 它方便的方法來加熱。這些方法包括使用流經(jīng)燃料電池附近的加熱的 冷卻劑，或當燃料電池處于或約處于正常工作溫度時執(zhí)行凈化程序。
凈化程序的額外備選方法還包括以下步驟優(yōu)選地，以上述美國 專利申請No. 10/305， 300中公開的方式使燃料電池停止運轉(zhuǎn)并且以美 國專利申請No. 10/305， 301中公開的方式啟動燃料電池，通過使流經(jīng) 陽極流場的流在包含氫的流體和包含氧的流體之間交替，由此執(zhí)行至 少兩次且不多于10次的循環(huán)來氧化污染物，其中該美國專利申請 No.l0/305，301于2003年7月17日以公開號No. US 2003/0134165 Al 公開，且公開了通過包含氫的流體在陽極流場中空氣的快速凈化，此 后連接主電學負載來啟動燃料電池。
凈化程序還可以包括通過引導氫燃料流流經(jīng)陽極流場、連接直 流電壓源到陽極和陰極電極、以及施加直流電壓以使陰極電極相對于 陽極電極的電勢增加至高于約0. 9伏特且增加小于約1. 6伏特，由此 氧化污染物。此外，向陽極和陰極電極施加直流電壓可以循環(huán)接通和 關(guān)斷5~20次。該過程還可以使用具有適當電壓、頻率和電流的交流 電源來執(zhí)行。
另 一種備選的凈化程序包括還是根據(jù)上述US專利申請 No. 10/305， 300中公開的使燃料電池停止運轉(zhuǎn)的程序，通過使陽極流 場和陰極流場暴露于包含氧的氧化劑來氧化污染物。然后，直流電壓 源的正端子與電極之一相連，直流電壓源的負端子與另一電極相連。 施加到電極的直流電壓受到控制，使得燃料電池的電壓為約0. 0伏特~ 約0.5伏特，陽極電極的電勢高于陽極空氣電勢，且陰極電極的電勢 低于陰極空氣電勢。此外，直流電壓源的正端子和負端子可以交替地 反轉(zhuǎn)，使得正端子與相反的電極相連且負端子與相反的電極相連。在 優(yōu)選方法中這種反轉(zhuǎn)可以發(fā)生5 ~ 20次。
凈化程序還包括當?shù)诙剂想姵乩^續(xù)正常工作時，對發(fā)電設(shè)備 的第一燃料電池執(zhí)行上述步驟。例如，已知對于大的發(fā)電機，燃料電 池可以布置成兩個或更多的燃料電池堆疊組件，其中每個燃料電池堆 疊組件使用共同的歧管裝置和流通結(jié)構(gòu)，用于引導反應物流和電功率 流，這是眾所周知的。本發(fā)明包括當?shù)诙剂想姵鼗虻诙剂想姵囟询B組件處于工作周期且與主電學負載相連時，對不處于工作周期且不 與主電學負栽相連的第一燃料電池或第一燃料電池堆疊組件執(zhí)行所述 凈化程序。第二燃料電池或第二燃料電池堆疊組件由此可以提供對第 一燃料電池或第一燃料電池堆疊組件執(zhí)行所述凈化程序所必需的任意 電能，從而提高了凈化程序的效率。
本發(fā)明的用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的凈化程序可以通過定制的維護 計劃來執(zhí)行，該計劃具有特定工作周期持續(xù)時間用于每個凈化周期. 這種針對給定發(fā)電設(shè)備的維護計劃可以是定制的，從而基于發(fā)電設(shè)備 的配置、發(fā)電設(shè)備的工作參數(shù)以及發(fā)電設(shè)備使用的特定燃料，滿足特 定發(fā)電設(shè)備的預期需求?？梢酝ㄟ^控制方案設(shè)置定制的維護計劃，該
控制方案設(shè)計成當功率損失到達預定值時，例如減小20%時，啟動 凈化過程。這種定制的維護計劃使得本凈化程序?qū)嶋H從發(fā)電設(shè)備的燃 料電極基本上消除所有的污染物，使得對于很長時間的工作，發(fā)電設(shè) 備沒有顯著的性能衰減。
因此，本發(fā)明的一般目的是提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)缺點的凈化程序。
另一更具體目的是提供一種可以在維護計劃中使用的燃料電池發(fā) 電設(shè)備的凈化程序，以消除發(fā)電設(shè)備的燃料電池電極的污染物，而不 需要復雜昂貴的閥門和精細的流通路徑。
當結(jié)合附圖閱讀下面的描述時，用于燃料電池發(fā)電設(shè)備的本凈化 程序的這些和其它目的以及優(yōu)點將更加顯而易見。


圖1是一種燃料電池發(fā)電設(shè)備的簡化示意圖，該燃料電池發(fā)電設(shè) 備適于執(zhí)行本發(fā)明的燃料電池發(fā)電設(shè)備凈化程序。
圖2的圖表示出了在暴露于硫化氫污染物之前、暴露于硫化氫污 染物之后以及執(zhí)行本發(fā)明的凈化程序的優(yōu)選方法之后，燃料電池的電 池電壓與電流密度的曲線圖。
圖3的曲線圖示出了由于二氧化硫污染陰極電極導致的燃料電池 性能的衰減，以及在執(zhí)行本發(fā)明的凈化程序之后該性能衰減的恢復。
具體實施方式
詳細地參考附圖，適于執(zhí)行本發(fā)明的燃料電池發(fā)電設(shè)備凈化程序
的燃料電池發(fā)電設(shè)備在圖1中示出，并一般由參考數(shù)字io表示。發(fā)電
設(shè)備10包括至少一個燃料電池12，用于從包含氫的還原流體燃料和包 含氧的氧化劑反應物流產(chǎn)生電能。氫燃料通過包括燃料入口閥門20的 燃料入口 16從燃料存儲源14引導。燃料然后流經(jīng)燃料電池12的陽極 流場22，該流場以本領(lǐng)域已知的方式引導燃料流經(jīng)燃料電池12的陽極 電極24附近。然后燃料通過具有燃料出口閥門28的燃料出口 26流出 燃料電池。
類似地，氧化劑通過包括氧化劑入口閥門34的氧化劑入口 32從 氧化劑源30(例如空氣)引入，其中該氧化劑入口 32還可以包括用于 增加氧化劑的流速和壓力的氧化劑鼓風機或壓縮機36以及氧化劑加熱 器38。氧化劑入口 32將氧化劑引導到燃料電池12中，在那里它流經(jīng) 陰極流場40,該陰極流場40引導氧化劑流經(jīng)陰極電極42附近。氧化 劑出口 44通過氧化劑出口閥門46將氧化劑引出陰極流場40。電解質(zhì) 48,例如本領(lǐng)域中已知的固體質(zhì)子交換膜，固定在燃料電池12中的陽 極電極24和陰極電極42之間。
發(fā)電設(shè)備10還可以包括燃料電池廢物循環(huán)回路裝置，用于引導離 開燃料電池12的燃料電池反應物回到燃料電池12中。燃料電池廢物 循環(huán)回路裝置可以包括燃料循環(huán)回路50，該燃料循環(huán)回路50流體連通 地固定在燃料出口 26和燃料入口閥門20下游的燃料入口 16之間，燃 料循環(huán)鼓風機52固定到燃料循環(huán)回路50。廢物循環(huán)回路裝置還可以具 有氧化劑循環(huán)回路54，該氧化劑循環(huán)回路54流體連通地固定在氧化劑 出口 44和氧化劑入口閥門34下游的氧化劑入口 32之間，氧化劑循環(huán) 鼓風機56固定到氧化劑循環(huán)回路54。氧化劑交叉裝置還可以固定在氧 化劑入口 32和燃料入口 16之間，用于選擇性地引導氧化劑流從氧化 劑入口 32到燃料入口 16中。氧化劑交叉裝置可以包括本領(lǐng)域中已知 的具有該功能的任意設(shè)備，例如，流體連通地固定在燃料入口閥門20 下游的燃料入口 16和氧化劑入口閥門34下游的氧化劑入口 32之間的 氧化劑交叉線58和氧化劑交叉閥門60。
電源電路80與燃料電池12、主電學負載82以及主電學負載開關(guān) 84電通信。電源電路還包括輔助負栽86，例如電阻性負載，它可以通 過閉合輔助負載開關(guān)88而啟動。此外，直流電壓源90通過直流線92A、92B固定到直流控制器94。直流控制器94可用于簡單地連接和斷開， 以及例如通過電源電路80，選擇性地控制從直流電壓源90向陽極電極 24和陰極電極42施加直流電流。此外，例如如圖l所示通過電源電路 80，或本領(lǐng)域已知的其它方法，直流控制器可用于專門引導正直流端 子96通過線92A與陽極電極24相連，負直流端子98通過線92B與陰 極電極42相連。
直流控制器94還可以是本領(lǐng)域中已知的任意控制裝置，它可以執(zhí) 行所述功能，且它還可以為了凈化周期的一系列中斷的直流施加，選 擇性地中斷向陽極電極24和陰極電極42施加直流電流；它還可以用 于測量陽極電極24和陰極電極42的電勢；并且，它還可以根據(jù)電極 24、 42的測量電勢來控制向電極24、 42的電流施加或終止該電流施 加。直流電壓源90可以是本領(lǐng)域中已知的能夠供給直流電壓的任意設(shè) 備，例如電池，或與外部交流源(例如輸電線路)電通信的變換器， 或與電源電路80電通信的轉(zhuǎn)換器，等等。如果條件允許，燃料電池的 電源還可以包括交流供電裝置.
通過以下步驟，所述的燃料電池發(fā)電設(shè)備IO可用于執(zhí)行本發(fā)明的 凈化程序首先發(fā)電設(shè)備10工作以產(chǎn)生用于工作周期(短語"工作周 期，，在此表示特定持續(xù)時間)的電能。接著，無論任何原因，包括陽 極電極24和/或陰極電極42的污染物導致的原因，只要燃料電池的最 優(yōu)電能產(chǎn)生減小預定數(shù)量，例如減小至少5%，則通過斷開主負栽開關(guān) 84以從燃料電池12斷開主負載82，終止工作周期并且啟動凈化周期。 凈化燃料電池12的陽極電極24和/或陰極電極42的第一優(yōu)選方法 中，通過關(guān)閉燃料入口閥門20終止包含氫的燃料流，且例如通過打開 交叉閥門60或通過本領(lǐng)域已知的任意方式，允許空氣流入陽極流場 22。為最小化對燃料電池12的損害，空氣向陽極流場22中的運動優(yōu) 選地遵循上述美國專利申請No. 10/305， 301中公開的停止運轉(zhuǎn)方法。 通過在陽極電極24和陰極電極42上都具有空氣，這兩個電極同時被 凈化。在這種空氣/空氣模式中，因為不存在氫燃料來抑制陰極電極42 的電勢，這兩個電極24、 42都可以升高到高于正常燃料電池12開路 電勢的電極電勢(和標準參考氫電極相比)。在這種空氣/空氣模式中， 這兩個電極24、 42都可以升高到約1. 0~約1. 25伏特的電勢。通過 關(guān)閉交叉閥門60和開啟燃料入口岡門30而使流經(jīng)陽極流場22的流在上述包含氧的氧化劑和氫燃料之間交替的額外步驟，或通過使流經(jīng)陽
極流場22的流在氧化劑和氫反應物流之間交替的本領(lǐng)域任意已知方 式，在1. 0~ 1. 25伏特的范圍內(nèi)循環(huán)電極24、 42的電勢，直到燃料電 池12返回到最優(yōu)電能生產(chǎn)為止，本方法的電極24、 42的凈化得到增 強。在另一方法中，由于效率的目的，交替流可以循環(huán)至少兩次且不 多于十個循環(huán)。通過該步驟，電壓上限是陽極電極24上具有氫燃料且 陰極電極42上具有包含氧的氧化劑時的理論開路電壓。
在凈化燃料電池12的第二優(yōu)選方法中， 一旦通過斷開主電學負載 82而停止運轉(zhuǎn)，燃料入口閥門60保持打開，使得氫保留在陽極電極 24上且空氣保留在陰極電極42上。接著，通過控制器94控制直流電 壓源90,使得陰極電極42獲得與標準氫電極相比約0. 9伏特~約1.6 伏特的電壓。因為不使用交叉閥門60且在該過程中電極24、 42上保 留它們正常的氫和氧反應物，該方法比前面的方法更簡單。然而，這 種凈化方法僅限于凈化陰極電極42。直流電壓控制器94設(shè)置電極24、 42的電壓極限。此外，施加直流電壓到陽極和陰極電極可以循環(huán)開啟 或關(guān)閉5~20次。
在凈化燃料電池12的第三優(yōu)選方法中，和第一優(yōu)選方法一樣，一 旦通過斷開主電學負栽82而停止運轉(zhuǎn)，則通過關(guān)閉燃料入口閥門20 終止包含氫的燃料流，且例如通過打開交叉閥門60或本領(lǐng)域已知的任 意方法，允許空氣流進陽極流場22。為最小化對燃料電池12的損害， 空氣到陽極流場22中的運動優(yōu)選地遵循上述美國專利申請 No. 10/305， 301中公開的停止運轉(zhuǎn)方法。例如，通過在控制器端子96 和98之間反轉(zhuǎn)流經(jīng)控制器94的電流，直流電壓源90被控制器94控 制以驅(qū)動燃料電池12的電極24、 42，使得相對于標準參考氫電極而 言，每個電極交替地在約1. 0的電勢至約1. 6伏特的電勢之間升高或 降低。當陽極電極24和陰極電極42通過控制器94在所述電壓范圍之
間交替時，包含氧的氧化劑(例如空氣)被引導以最小流量流經(jīng)陽極 流場22和陰極流場40?？諝饬鞑怀^維持約10~約50毫安每平方厘 米的電流所需的量。同時，陽極電極24和陰極電極42之間的電壓差 由控制器94控制，使得該電壓差限于約0. 5伏特。當達到O. 5伏特的 電壓差時，控制器94反轉(zhuǎn)流到陽極和陰極電極24、 42的直流電流的 方向。在所有所述凈化方法中，必須特別注意以確保凈化方法不導致對 任一電極的不可挽回的損害。通過使用上述美國專利申請
No. 10/305， 300和10/305， 301中所述的燃料電池12開啟和停止運轉(zhuǎn) 程序可以避免損害。這兩個專利申請都為本發(fā)明所有權(quán)利的受讓人所 有。使用任意所述方法的凈化程序的持續(xù)時間足夠使燃料電池12返回 到最優(yōu)電能輸出。此外，出于本文的目的，詞語"約"表示正負百分 之十。
當?shù)谝蝗剂想姵?2處于凈化周期且第二燃料電池(未示出)處于 工作周期時，也可以對第一燃料電池12執(zhí)行上述凈化程序，其中該凈 化程序包括通過氧化電極24、 42的污染物進行凈化的上述方法。通過 為需要電源的任意凈化方法提供電能，這將提供改善的效率。眾所周 知，對電能的需求是無規(guī)律的，其中具有多個燃料電池的燃料電池發(fā) 電設(shè)備在所有燃料電池工作時工作于峰值容量，且發(fā)電設(shè)備也用于供 給較低的需求，其中一些燃料電池不工作。這里為了效率的目的，應 當理解，具有多個燃料電池的燃料電池發(fā)電設(shè)備可以將這些燃料電池 布置在本領(lǐng)域公知的兩個或更多的燃料電池堆疊組件中。而且，如果 具有多個燃料電池堆疊組件(未示出)的這種燃料電池發(fā)電設(shè)備執(zhí)行 這里描述的任意凈化程序和方法，這些方法將最可能對不發(fā)電的第一 燃料電池堆疊組件執(zhí)行，而另一或第二燃料電池堆疊組件將工作以提 供該凈化程序所需的任何電力和該發(fā)電設(shè)備所需的任何電力。接著， 第二或工作的燃料電池堆疊組件將被控制進入凈化周期，而第一燃料
堆疊組件將工作并提供該發(fā)電設(shè)備和進行凈化程序的第二燃料電池堆 疊組件所需的任何電力。這樣，用作發(fā)電機的燃料電池發(fā)電設(shè)備將執(zhí) 行規(guī)則的凈化程序，而不中斷其普通工作需求。出于這里的目的，這 種結(jié)構(gòu)將簡單地表征為具有第一燃料電池12和第二燃料電池(未示 出)的燃料電池發(fā)電設(shè)備10，其中第一燃料電池12處于凈化周期而第 二燃料電池處于工作周期。
圖2示出了測試結(jié)果，證明了燃料電池在應用上述凈化程序的氧 化方法之一僅5分鐘之后，完全恢復到污染之前的工作性能。測試燃 料電池工作狀況如下在燃料電池出口的氧化劑溫度約為65攝氏度(此 后，表示為"匸，，)，冷卻流為340立方厘米每分鐘("ccm"),并且使 用氫氣和大氣空氣作為反應物流，得出如圖2的參考數(shù)字100的菱形數(shù)據(jù)圖所示的電池電壓與電流密度關(guān)系的曲線。在暴露于陽極氧化劑 流中百萬分之十濃度的硫化氫兩個小時之后，燃料電池的性能顯著降
低，得出參考數(shù)字102的方形圖所示的電池電壓隨電流密度變化的曲 線。接著，對測試燃料電池應用本發(fā)明的凈化程序，其中氧化電極污 染物的步驟包括連接直流源的正端子到燃料電池的陽極電極，和連接 直流源的負端子到陰極電極，其中兩個電極上都具有氧化劑。向電池 施加直流，使得燃料電池的電壓保持在約0.4伏特約5分鐘。在執(zhí)行 本發(fā)明的凈化程序的步驟之后，測量電池電壓隨電流密度變化，產(chǎn)生 如圖2中的線所表示的由參考數(shù)字104所示的曲線，該曲線完全位于 參考數(shù)字100在圖2中表示的燃料電池的原先曲線上，這表明通過上 述步驟僅在5分鐘內(nèi)就完全恢復了燃料電池。
圖3示出了另一測試結(jié)果，演示了由于陰極電池污染二氧化硫而 導致的燃料電池性能的減退。參考數(shù)字106處的曲線示出了在工作700 小時之后電池電壓的下降，且參考數(shù)字108處的其它曲線示出了減退 的性能的基線。參考數(shù)字110處的曲線示出了在參考數(shù)字112處由短 語"恢復處理"所示的凈化程序之后改善的燃料電池性能。通過上述 第二優(yōu)選凈化程序獲得改善的性能，其中氫保留在陽極電極24上且空 氣保留在陰極電極24上。
顯而易見的是，本發(fā)明的凈化程序易于提供定制維護計劃，其中 該計劃具有基于特定燃料電池發(fā)電設(shè)備的工作需求以及特定反應物流 的屬性的、用于每個凈化周期的工作周期的特定持續(xù)時間。對于用于 電能運輸車輛的燃料電池發(fā)電設(shè)備而言，當不使用例如公共汽車的運 輸車輛時，定制維護計劃將與可能的停止運轉(zhuǎn)間隔結(jié)合。例如，如果 燃料電池發(fā)電設(shè)備供電的公共汽車每天將具有8小時的工作時間，取 決于凈化需要，維護周期可控制在每次工作周期之后執(zhí)行，或在特定 數(shù)目的工作周期之后執(zhí)行，例如，每三十個工作周期執(zhí)行一次。此外， 對于用作發(fā)電機的燃料電池發(fā)電設(shè)備，可以使用定制的維護計劃，其 中一個燃料電池或燃料電池堆疊組件處于凈化周期，而另一燃料電池 或燃料電池堆疊組件處于工作周期。
盡管已經(jīng)根據(jù)所描述和闡述的凈化程序和方法公開了本發(fā)明，應 當理解本發(fā)明不限于這些實施例。例如，盡管燃料電池發(fā)電設(shè)備10示 為具有交叉線58和閥門60并具有氧化劑和燃料循環(huán)回路54、 50，但是應當理解，可以不使用這些元件實現(xiàn)氧化電極污染物的很多所述方
法，例如僅通過打開氧化劑入口閥門34、氧化劑出口閥門46和燃料出 口閥門28，同時關(guān)閉燃料入口閥門20，以簡單地允許流場22、 40暴 露于空氣。因此，將僅主要參考下面的權(quán)利要求書而不是用于上述說 明書確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)的凈化程序，其中所述發(fā)電設(shè)備(10)包括至少一個燃料電池(12)，用于從包含氫的還原流體燃料和包含氧的氧化劑反應物流產(chǎn)生電能；電源電路(80)，用于從燃料電池(12)引導電能到主電學負載(82)，該燃料電池(12)包括位于電解質(zhì)(48)相對側(cè)上的陽極電極(24)和陰極電極(42)；與陽極電極(24)流體連通的陽極流場(22)，用于引導氫燃料流經(jīng)燃料電池(12)和流經(jīng)陽極電極(24)附近；以及與陰極電極(42)流體連通的陰極流場(40)，用于引導所述氧化劑流流經(jīng)燃料電池(12)和流經(jīng)陰極電極(42)附近，所述凈化程序包括的步驟為a. 通過連接主電學負載(82)到燃料電池(12)、引導氧化劑流流經(jīng)陰極流場(40)、并引導氫燃料流流經(jīng)陽極流場(22)，使燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)工作在工作周期產(chǎn)生電能；b. 然后，一旦燃料電池(12)的最優(yōu)電能生產(chǎn)減小預定數(shù)量，則通過從燃料電池(12)斷開所述電學負載(82)，終止發(fā)電設(shè)備(10)的燃料電池(12)的工作以進行凈化周期；c. 然后，在凈化周期期間，通過終止流經(jīng)陽極流場(22)的氫燃料流，并且然后引導包含氧的氧化劑流流經(jīng)陰極流場(22)，使得電極(24，42)的電勢相比于標準氫參考電極升高到約1.0～1.25伏特，從而氧化在工作周期期間吸附在陽極電極(24)和陰極電極(42)至少其中之一上的污染物，來凈化燃料電池(12)。
2. 權(quán)利要求l的凈化程序，還包括以下步驟在凈化燃料電池(12) 的步驟期間且在引導包含氧的氧化劑流流經(jīng)陽極流場(22)之后，通過 使流經(jīng)陽極流場(22)的流在包含氧的氧化劑流和包含氫的燃料流之間 交替來循環(huán)所述電極(24, 42 )的電勢，直到燃料電池(12)返回到最 優(yōu)電能生產(chǎn)為止。
3. 權(quán)利要求l的凈化程序，還包括以下步驟使流經(jīng)陽極流場(22) 的流在氧化劑和氫反應物流之間循環(huán)至少兩個循環(huán)。
4. 權(quán)利要求l的凈化程序，還包括以下步驟在凈化燃料電池(12) 的步驟期間，加熱包含氧的氧化劑，隨后引導加熱的包含氧的氧化劑流 流經(jīng)燃料電池(12)的陽極流場(22)和陰極流場(40)。
5. 權(quán)利要求l的凈化程序，還包括以下步驟在凈化燃料電池(12)的步驟期間，加熱燃料電池(12)，同時引導包含氧的氧化劑流流經(jīng)燃料 電池(12)的陽極流場(22)和陰極流場(40)。
6. 權(quán)利要求l的凈化程序，還包括以下步驟在使燃料電池發(fā)電設(shè) 備(10)工作的步驟之后， 一旦燃料電池U2)的最優(yōu)電能生產(chǎn)由于至 少陽極電極(24)和陰極電極(42)之一的污染而減小至少5%時，通過 從燃料電池(l2)斷開電學負栽(82)而終止發(fā)電設(shè)備(10)的燃料電 池(12 )的工作以進行凈化周期。
7. —種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)的凈化程序，其中發(fā)電設(shè)備(10) 包括至少一個燃料電池(12)，用于從包含氫的還原流體燃料和包含氧 的氧化劑反應物流產(chǎn)生電能；電源電路(80)，用于從燃料電池(12)引 導電能到主電學負栽(82)，該燃料電池(12)包括位于電解質(zhì)(48) 相對側(cè)的陽極電極(24)和極電極(42);與陽極電極(24)流體連通的 陽極流場(22 )，用于引導氫燃料流經(jīng)燃料電池(12 )和流經(jīng)陽極電極(24 ) 附近；以及與陰極電極(42)流體連通的陰極流場(40)，用于引導氧化 劑流流經(jīng)燃料電池(12)和流經(jīng)陰極電極(42)附近，該凈化程序包括 以下步驟a. 通過連接主電學負載(82)到燃料電池(12)、引導氧化劑流流 經(jīng)陰極流場(40)、并引導氫燃料流流經(jīng)陽極流場(22)，使燃料 電池發(fā)電設(shè)備(10)工作以在工作周期產(chǎn)生電能；b. 然后， 一旦燃料電池(12)的最優(yōu)電能生產(chǎn)減小預定數(shù)量，通過 從燃料電池(12)斷開電學負載(82)，終止發(fā)電設(shè)備(10)的 燃料電池(12 )的工作以進行凈化周期；c. 然后，在凈化周期期間，通過連接直流電壓源(90)到陽極和陰 極電極(24， 42)，并施加直流電壓以使得和標準氫參考電極相 比，陰極電極(42)相對于陽極電極(")的電勢升高到約0. 9 伏特~約1.6伏特，氧化在工作周期期間吸附在陰極電極(42) 上的污染物，來凈化燃料電池(12)。
8. 權(quán)利要求7的凈化程序，還包括以下步驟在凈化燃料電池(12) 的步驟期間，使用直流控制器(94)來循環(huán)直流電壓接通和關(guān)斷5~20 次，以使得和標準氫參考電極相比，陰極電極(42)相對于陽極電極(24) 的電勢在約0. 9伏特~約1.6伏特變化。
9. 權(quán)利要求7的凈化程序，還包括以下步驟在使燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)工作的步驟之后， 一旦燃料電池(12)的最優(yōu)電能生產(chǎn)由于陰 極電極(42)的污染而減小至少5%，則通過從燃料電池(12)斷開電學 負載(82),來終止發(fā)電設(shè)備(10)的燃料電池(12)的工作以進行凈化 周期。
10. —種用于燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)的凈化程序，其中該發(fā)電設(shè) 備(10)包括至少一個燃料電池(12)，用于從包含氫的還原流體燃料 和包含氧的氧化劑反應物流產(chǎn)生電能；電源電路(80)，用于從燃料電池(12)引導電能到主電學負載(82)，該燃料電池(12)包括位于電解 質(zhì)(48)相對側(cè)的陽極電極(24)和陰極電極(42);與陽極電極(24) 流體連通的陽極流場(22 )，用于引導氫燃料流經(jīng)燃料電池(12 )和流經(jīng) 陽極電極(24)附近；以及與陰極電極(42)流體連通的陰極流場(40)， 用于引導氧化劑流流經(jīng)燃料電池(12)和流經(jīng)陰極電極(42)附近，該 凈化程序包括以下步驟a. 通過連接主電學負載(82)到燃料電池(12)、引導氧化劑流流 經(jīng)陰極流場(40)、并引導氬燃料流流經(jīng)陽極流場(22)，使燃料 電池發(fā)電設(shè)備(10)工作以在工作周期產(chǎn)生電能；b. 然后， 一旦燃料電池(12)的最優(yōu)電能生產(chǎn)減小預定數(shù)量，則通 過從燃料電池(l2)斷開電學負栽(82)，終止發(fā)電設(shè)備(10) 的燃料電池(12)的工作以進行凈化周期；c. 然后，在凈化周期期間，通過終止流經(jīng)陽極流場(22)的氫燃料 流且然后引導包含氧的氧化劑流流經(jīng)陽極流場(22)，來凈化燃 料電池(12);d. 然后，連接直流電壓源(90)到陽極和陰極電極(24， 42)，并 控制對所述電極(24, 42 )的直流電壓施加，使得所述電極之間 的電壓差限于約0.5伏特，并且一旦該電壓差增加到約0.5伏 特，則控制直流電壓的施加，以反轉(zhuǎn)從直流源(90)流到陽極和 陰極電極(24， 42)的電流的方向；以及e. 在控制對所述電極(24， 42)的直流電壓施加的同時，引導最小 流量的包含氧的氧化劑流流經(jīng)陽極流場(22 )和陰極流場(40)。
11. 權(quán)利要求10的凈化程序，還包括以下步驟在凈化燃料電池(12 ) 的步驟期間，加熱包含氧的氧化劑，隨后引導加熱的包含氧的氧化劑流 流經(jīng)燃料電池(12)的陽極流場(22)和陰極流場(40)。
12. 權(quán)利要求10的凈化程序，還包括以下步驟在凈化燃料電池(12 ) 的步驟期間，加熱燃料電池(12)，同時引導包含氧的氧化劑流流經(jīng)燃料 電池(12)的陽極流場(22)和陰極流場(40)。
13. 權(quán)利要求10的凈化程序，還包括以下步驟在使燃料電池發(fā)電 設(shè)備(10)工作的步驟之后， 一旦燃料電池(12)的最優(yōu)電能生產(chǎn)由于 陽極電極(24 )和陰極電極(42 )之一或二者的污染而減小至少5 % ，則 通過從燃料電池(12)斷開電學負栽(82)，終止發(fā)電設(shè)備(10)的燃料 電池(12)的工作以進行凈化周期。
全文摘要
一種燃料電池發(fā)電設(shè)備(10)的凈化程序，包括使發(fā)電設(shè)備工作在工作周期產(chǎn)生電能，且然后終止發(fā)電設(shè)備(10)的工作以進行凈化周期，且然后，一旦發(fā)電設(shè)備燃料電池(12)的最優(yōu)電能生產(chǎn)由于燃料電池電極(24，42)吸附的污染物而減少至少5％，則通過氧化燃料電池的電極(24，42)吸附的污染物，在凈化周期凈化發(fā)電設(shè)備(10)的燃料電池(12)。氧化污染物可以通過各種步驟完成，包括使電極(24，42)暴露于流動的氧；暴露于加熱的流動的氧；執(zhí)行一系列啟動停止循環(huán)；以及改變受控制的電勢。
文檔編號H01M8/18GK101443945SQ200580048767
公開日2009年5月27日 申請日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者H·奇扎瓦, J·A·萊斯特拉, M·L·帕里, P·于, T·D·賈維, T·W·小帕特森, T·奧基, T·斯基巴 申請人:Utc電力公司